[論文レビュー] Testing modified gravity with motion of satellites around galaxies

J. W. Moffat, Viktor T. Toth|ArXiv.org|Aug 9, 2007

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 22被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、スローン・デジタル・スカイ・サーベイ（SDSS）データを用いて、50–400 kpcの投影距離における中心銀河の周りの衛星銀河のライン・オブ・スイト速度分散を観測し、修正重力（MOG）理論——特にその相対論的スカラー・テンソル・ベクトル重力（STVG）形式——を検証する。MOGは、パラメータαとμを介して第五力を導入し、ダークマターのための特別なハロー成分を必要とせず、観測データと同等またはそれ以上の一致を示す予測を可能にする。これは、非現実的なハローを必要としないダークマターの代替理論としてのMOGの有効性を支持する。

ABSTRACT

A modified gravity (MOG) theory, that has been successfully fitted to galaxy rotational velocity data, cluster data, the Bullet Cluster 1E0657-56 and cosmological observations, is shown to be in good agreement with the motion of satellite galaxies around host galaxies at distances 50-400 kpc.

研究の動機と目的

• 修正重力（MOG）理論が、奇妙なダークマターを仮定せずに、中心銀河の周りの衛星銀河の運動学的性質を説明できるかどうかを検証すること。
• スローン・デジタル・スカイ・サーベイ（SDSS）の観測データを用いて、50–400 kpcの範囲で、通常はダークマターが推定される領域におけるMOGの予測力の評価。
• 観測された衛星銀河のライン・オブ・スイト速度分散を説明するにあたり、MOGの予測をニュートン重力とMONDの予測と比較すること。
• 既に銀河回転曲線と宇宙論的データから決定されたMOGのパラメータαとμが、衛星系の観測に対して追加のフィッティングなしに一貫した結果をもたらすかどうかを評価すること。

提案手法

• 研究はSDSSデータリリース6を使用し、退避速度が3000〜25,000 km/sの間で、周囲の銀河よりも少なくとも4倍明るい赤銀河を、中心銀河候補として選定する。
• 衛星銀河候補は、中心銀河よりも少なくとも4倍暗く、投影距離1 Mpc以内にあり、ライン・オブ・スイト速度が1500 km/s以内の対象として特定される。
• MOG理論は、修正されたニュートン的加速度法則を採用する：$ g_{\text{MOG}}(r) = \frac{G_N M}{r^2} \left\{1 + \alpha \left[1 - e^{-\mu r}(1 + \mu r)\right]\right\} $、ここでαとμは銀河回転曲線および宇宙論的データから導出される。
• 理論的ライン・オブ・スイト速度分散は、径方向速度分散プロファイルに沿ったライン・オブ・スイト積分を用いて計算され、投影効果を$ \sigma_{\text{LOS}}^2(R) = \frac{\int_R^\infty (r^2 - \beta R^2) \sigma_r^2(r) \nu(r)/r \sqrt{r^2 - R^2} dr}{\int_R^\infty r \nu(r)/\sqrt{r^2 - R^2} dr} $で補正する。
• MOGパラメータは経験的フィットにより設定される：$ \mu \simeq D/\sqrt{M} $、$ \alpha \simeq M / (\sqrt{M} + E)^2 (G_\infty/G_N - 1) $、ここで$ G_\infty \simeq 20G_N $、$ D \simeq 6250~{}M_\odot^{1/2}\text{ kpc}^{-1} $、$ E \simeq 25000~{}M_\odot^{1/2} $。
• 予測は、2つの中心銀河の明るさのビン（$ -20.5 > M_g^1 > -21.1 $ および $ -21.1 > M_g^2 > -21.6 $）におけるSDSSデータと比較され、名目上の中心銀河質量とフィットされた質量を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークマターハローを仮定せず、MOG理論が、中心銀河から50–400 kpcの距離における衛星銀河の観測されたライン・オブ・スイト速度分散を正確に予測できるか？
• RQ2 SDSSの衛星運動学的データを説明するにあたり、MOGの予測はニュートン重力とMONDの予測と比べてどのように異なるか？
• RQ3 事前に銀河回転曲線と宇宙論的データから決定されたMOGのパラメータαとμは、衛星系の観測に対して再フィッティングなしに一貫した結果をもたらすか？
• RQ4 観測された速度分散プロファイルが真の衛星銀河に起因するピークを示すのか、それとも誤差銀河による線形的増加に起因するのか？MOGはこの点をどのように扱うか？

主な発見

• 名目上の中心銀河質量（$ M^1_* = 7.2 \times 10^{10}~{}M_\odot $、$ M^2_* = 1.5 \times 10^{11}~{}M_\odot $）を用いたMOGの予測は、両方の明るさビンにおいて観測されたライン・オブ・スイト速度分散と非常に良好に一致する。
• 最小二乗法によるフィットでは、やや高い中心銀河質量が得られた：$ M^1_* \simeq 9.3 \times 10^{10}~{}M_\odot $ および $ M^2_* \simeq 2.2 \times 10^{11}~{}M_\odot $、これはMOGが名目推定値よりもわずかに質量の大きな中心銀河を好む傾向にあることを示唆している。
• MONDはわずかな一致を示すが、パラメータβとγの半径依存性を導入することで改善可能である。一方、MOGはこのような調整を必要とせず、予測において完全にパラメータフリーのままである。
• ニュートン重力はデータを再現できない。特に、バリオン質量が減少する領域でも観測された速度分散が高止まりしていることから、その不一致は顕著である。
• MOGモデルは、50–400 kpcという広い距離範囲にわたり、衛星銀河の運動学的性質を成功裏に説明でき、ΛCDMモデルのダークマターフリーな代替理論としての妥当性を支持する。
• 異なる中心銀河明るさの範囲にわたり、MOGと観測データの一致は安定しており、理論の予測が研究範囲内の中心銀河質量選択に対して敏感でないことが示された。