[論文レビュー] The Acceleration Scale, Modified Newtonian Dynamics, and Sterile Neutrinos

Antonaldo Diaferio, G. W. Angus|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2012

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 19被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、修正ニュートン力学（MOND）と温い暗黒物質としての不活性ニュートリノを組み合わせたハイブリッド宇宙論を提案する。MONDは銀河スケールの力学を自然に説明でき、加速スケール（約10⁻¹⁰ m/s²）をうまく再現する。一方、不活性ニュートリノはMONDの銀河団スケールでの欠陥およびCMBパワー スペクトルにおける不足を補い、ΛCDMに代わる統一的でパラメータ効率の良い代替モデルを提供する。

ABSTRACT

General Relativity is able to describe the dynamics of galaxies and larger cosmic structures only if most of the matter in the Universe is dark, namely it does not emit any electromagnetic radiation. Intriguingly, on the scale of galaxies, there is strong observational evidence that the presence of dark matter appears to be necessary only when the gravitational field inferred from the distribution of the luminous matter falls below an acceleration of the order of 10^(-10) m/s^2. In the standard model, which combines Newtonian gravity with dark matter, the origin of this acceleration scale is challenging and remains unsolved. On the contrary, the full set of observations can be neatly described, and were partly predicted, by a modification of Newtonian dynamics, dubbed MOND, that does not resort to the existence of dark matter. On the scale of galaxy clusters and beyond, however, MOND is not as successful as on the scale of galaxies, and the existence of some dark matter appears unavoidable. A model combining MOND with hot dark matter made of sterile neutrinos seems to be able to describe most of the astrophysical phenomenology, from the power spectrum of the cosmic microwave background anisotropies to the dynamics of dwarf galaxies. Whether there exists a yet unknown covariant theory that contains General Relativity and Newtonian gravity in the weak field limit, and MOND as the ultra-weak field limit is still an open question.

研究の動機と目的

• MONDが銀河回転曲線をうまく説明できるのに対し、銀河団スケールの力学では失敗するという矛盾を解消すること。
• 不活性ニュートリノが、MONDのスケール拡張に必要な非バリオン型暗黒物質を提供できるかどうかを調査すること。
• MOND+不活性ニュートリノモデルがCMBパワー スペクトル、特に第3ピークを再現できるかどうかを評価すること。
• 標準的なΛCDMパラダイムと比較して、モデルの予測力およびパラメータの経済性を評価すること。
• MONDの基礎的相対論的・共変的理論を構築する上での理論的課題を特定すること。

提案手法

• 臨界加速度スケール a₀ ~ 10⁻¹⁰ m/s² 未満のニュートン力学を現象論的に修正したMONDを採用する。
• 11 eV～1 keV の範囲の質量を持つ不活性ニュートリノを、小スケールのパワーを抑制し、銀河団の力学を安定化させる温い暗黒物質として導入する。
• 線形および非線形の摂動理論を用いて、MOND+不活性ニュートリノフレームワークにおける構造形成をモデル化する。
• 観測データ（銀河回転曲線、矮星銀河の運動学、CMB非一様性パワー スペクトル、銀河団質量プロファイル）とモデルの予測を比較する。
• MOND単体では説明できないCMBパワー スペクトルの第3ピークを再現できるかどうかを評価する。
• モデルが初期核合成およびバリオン音響振動と整合しているかどうかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MONDの加速スケールは、根本的な理論によって自然に説明可能か、それとも現象論的偶然に過ぎないか？
• RQ2 keVスケールの質量を持つ不活性ニュートリノは、MONDが銀河団で示す欠陥およびCMBを補うことができるか？
• RQ3 MOND+不活性ニュートリノモデルは、観測されたCMBパワー スペクトル、特に第3ピークを再現できるか？
• RQ4 予測力および自由パラメータの数を考慮した場合、モデルはΛCDMと比べてどの程度優れているか？
• RQ5 非相対論的・非共変的理論であるMONDに還元される、妥当な相対論的・共変的理論が存在するか？

主な発見

• MONDは、標準的ダークマターモデルよりも少ないパラメータで銀河および低表面輝度系の力学をうまく説明できる。
• 観測された加速スケール a₀ ~ 10⁻¹⁰ m/s² は、多様な銀河系において一貫して見られる特徴であり、根本的な物理的起源を示唆している。
• 11 eV から 1 keV の間の質量を持つ不活性ニュートリノは、小スケールのパワーを抑制し、第3CMBピークの高さを維持するのに必要な温い暗黒物質を提供できる。
• MOND+不活性ニュートリノモデルは、MOND単体が失敗する第2ピーク以降のCMBパワー スペクトルを再現できる。
• 地上実験で支持されている、物理的に妥当なダークマター候補（不活性ニュートリノ）を提供する。
• 成功を収めても、モデルは依然として非相対論的・非共変的理論であるMONDに依存しており、根本的な相対論的完成形は未だ不明である。