[論文レビュー] The acceleration relation in galaxies and scale invariant dynamics: another challenge for dark matter

A. Maeder|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2018

Computational Physics and Python Applications参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、銀河における半径方向加速度関係（RAR）—かつては暗黒物質に起因するとされてきた—が、真空のスケール不変性に起因するスケール不変性力学によって説明可能であると提唱している。この理論では、弱い重力場において、スケール不変性が追加の加速度項を導入する。モデルは、矮星銀河における極端な質量不均衡（最大400倍）を含む、観測されたRARのずれを、暗黒物質を仮定せずに正確に予測している。

ABSTRACT

A relation between the centripetal acceleration g_obs in galaxies and the gravity due to the baryon distribution g_bar has been found by McGaugh (2016) and Lelli et al.(2017). It also summarizes properties such as the Tully-Fisher and Faber-Jackson relations. Below about g_bar= 10E-10 m s^(-2), the observed relation deviates from the 1:1 line, g_obs being much larger than g_bar. The acceleration relation is followed by late and early type galaxies, and also by the dwarf spheroidals where the deviations from the 1:1 line are the largest ones. These deviations are currently attributed to dark matter. We show that the scale invariant theory, with the assumption of the scale invariance of the empty space, correctly predicts the observed deviations in the acceleration relation. The large deviations (up to a factor 400) and the flattening of the acceleration relation observed for the dwarf spheroidal galaxies are also well described. The presence of dark matter is no longer necessary in the scale invariant context, which also accounts why dark matter usually appears to dominate in galactic regions with low baryonic gravities.

研究の動機と目的

• スケール不変性力学が銀河で観測された半径方向加速度関係（RAR）を説明できるかどうかを調査すること。
• 矮星球状銀河における大きな質量不均衡（最大400倍）が、暗黒物質を仮定せずに説明可能かどうかを検証すること。
• スケール不変性重力の予測を、標準的な$\Lambda$CDMモデルおよび修正ニュートン力学（MOND）と比較すること。
• 修正ニュートン方程式における累積的効果が、時間的に変化する運動学的傾向（例：ミルキーウェイにおける垂直速度分散の増加）を説明できるかどうかを評価すること。
• スケール不変性が、暗黒エネルギーおよび暗黒物質を仮定せずに、銀河の回転曲線と宇宙論的加速の両方を統一的に説明できるかどうかを特定すること。

提案手法

• Weyl幾何学およびDirac-Canuto作用原理に基づくスケール不変性重力枠組みを採用し、一般相対性理論にスケール不変性を拡張する。
• 弱い重力場・低密度領域で顕著な、速度に比例する追加の加速度項を含む修正ニュートン運動方程式を導出する。
• 修正された測地線方程式を適用して、観測加速度$g_{\mathrm{obs}}$とバリオン質量による重力$g_{\mathrm{bar}}$との間の半径方向加速度関係（RAR）を導出する。
• スケール不変性作用から導かれるエネルギー関係を用いて、質量不均衡を予測し、銀河タイプにわたる観測RARデータと比較する。
• 時間的な積分を用いて、修正された方程式の累積的力学的効果（例：速度分散の増加）をモデル化する。
• McGaughら（2016）およびLelliら（2017）の観測RARデータ（後期銀河、初期銀河、矮星球状銀河を含む）と予測を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スケール不変性力学は、暗黒物質を仮定せずに、銀河で観測された半径方向加速度関係（RAR）を再現できるか？
• RQ2 スケール不変性モデルは、矮星球状銀河で観測された極端な質量不均衡（最大400倍）をどれほど正確に予測できるか？
• RQ3 修正ニュートン加速度項の累積的効果は、時間とともに増加するミルキーウェイの星の垂直速度分散を説明できるか？
• RQ4 スケール不変性フレームワークは、暗黒物質を仮定せずに、光度プロファイルの特徴と回転曲線の特徴の強い相関（レンゾの法則）を説明できるか？
• RQ5 スケール不変性モデルは、$\Lambda$CDMおよびMONDと比較して、RARの予測およびその漸近的挙動において、どのような点で差異を示すか？

主な発見

• スケール不変性理論は、後期銀河、初期銀河、矮星球状銀河を含む、あらゆる銀河タイプで観測されたRARを正確に再現しており、低加速度領域での平坦化も再現している。
• モデルは、$g_{\mathrm{obs}}$対$g_{\mathrm{bar}}$関係において1:1直線からのずれを予測しており、これは観測と一致しており、矮星球状銀河では最大400倍の質量不均衡を示している。
• Lelliら（2017）が発見したRARの漸近的極限が、スケール不変性モデルによっても確認されており、低加速度領域における普遍的挙動を示している。
• 修正ニュートン方程式に含まれる速度に比例する追加の加速度項は、時間経過に伴い累積的効果を生じ、ミルキーウェイにおける垂直速度分散の増加を説明できる可能性がある。
• この理論は、見かけの『暗黒物質』過剰が、見えない粒子ではなく、内在的なスケール不変性力学に起因することを説明している。
• 理論は、光度プロファイルの特徴と回転曲線の特徴の強い相関（レンゾの法則）を、スケール不変性加速度則の自然な結果として説明している。