[論文レビュー] The end of the Dark Ages in MOND

S. Stachniewicz, M. Kutschera|CERN Bulletin|Dec 23, 2004

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、重力の全加速度ではなくハッブル流れ上の純加速度に理論を適用することで、修正ニュートン力学（MOND）における構造形成を調査している。低質量天体（M ≤ 3×10⁴ M☉）が赤方偏移z ≈ 30で崩壊可能であることが判明し、これはWMAPの初期再電離データと整合的である。これは、ΛCDMモデルに比べてMONDが『暗黒時代』問題をよりよく解決できる可能性を示唆している。

ABSTRACT

We study the evolution of a spherically symmetric density perturbation in the Modified Newtonian Dynamics (MOND) model applied to the net acceleration over Hubble flow. The background cosmological model is a $Λ$-dominated, low-$Ω_b$ Friedmann model with no Cold Dark Matter. We include thermal processes and non-equilibrium chemical evolution of the collapsing gas. We find that under these assumptions the first low-mass objects ($M \le 3 imes 10^4 M_{\odot}$) may collapse already for $z\sim 30$, which is in quite good agreement with the recent WMAP results. A lower value of $a_0$ would lead to much slower collapse of such objects.

研究の動機と目的

• z≈30未満での最初の星や銀河の形成という、MONDにおける早期構造形成の課題に取り組む。
• 従来のMONDモデルに見られるパラドックス（誤った修正重力の適用により、希薄領域ですら崩壊する）を解消する。
• 冷却や化学進化の役割を検討し、初期星雲のMOND駆動崩壊を理解する。
• MONDによる崩壊 timescale と ΛCDM 予測を比較し、低質量天体の直接形成の妥当性を検証する。

提案手法

• ハッブル流れ上の純加速度にMONDを適用し、gH がハッブル減速であるとき、μ(|g−gH|/a₀)(g−gH) = gN−gH の式を用いる。
• 質量、半径、速度、内部エネルギー、圧力の時間発展を記述する球対称ラグランジュ形式の流体力学方程式を用いる。
• 初期星の単原子ガスに対して、状態方程式 p = (γ−1)ρu と γ = 5/3 を用いてガス圧を組み込む。
• 冷却・加熱をエネルギー損失率 Λ を用いてモデル化し、H₂冷却が崩壊を可能にする主要要因であることを考慮する。
• a₀ = 1.2×10⁻⁸ cm/s² を用いて、ニュートン的領域とMOND領域の間を滑らかに遷移させる補間関数 μ(x) = x/√(1+x²) を使用する。
• 数値コードにおいて、臨界半径 r_c 未満ではシェルの運動を凍結し、数値的アーティファクトを回避する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハッブル流れ上の純加速度にMONDを適用した場合、WMAPのz≈30再電離と整合する早期の低質量天体の崩壊を実現できるか？
• RQ2 ガス圧とH₂冷却を組み込むことで、MONDにおける崩壊 timescale はΛCDMとどのように異なるか？
• RQ3 弱い重力場であるにもかかわらず、なぜより質量の大きな雲がMONDで早く崩壊するのか？これはニュートン的期待とはどのように異なるか？
• RQ4 修正重力モデルは、過去のMOND形式で見られた希薄領域での崩壊というパラドックスを回避できるか？
• RQ5 崩壊の赤方偏移は、基本的な加速度スケール a₀ の変動に対してどの程度感度を示すか？

主な発見

• M ≤ 3×10⁴ M☉ の低質量天体は、MONDモデルにおいて z ≈ 30 までに崩壊可能であり、これはWMAPの初期再電離推定と一致する。
• 崩壊 timescale は a₀ に強く依存しており、a₀ が小さいと崩壊が遅れ、z≈30 までに形成させるにはより質量の大きな雲（M ≥ 3×10⁴ M☉）が必要になる。
• ガス圧は低質量雲の崩壊を緩和するが、より大きな質量の雲では自重が圧力支持を上回るため、より早く崩壊する。
• H₂冷却は、MONDでもΛCDMでも崩壊を可能にするために不可欠であり、シミュレーションにおける準拠化プロセスを駆動する。
• 最終的なH₂濃度は約10⁻³であり、他のモデルと整合的であるが、小半径でのシェルの数値的凍結により、深部冷却が人工的に妨げられる可能性がある。
• 激しい崩壊であっても、シェル温度プロファイルは物理的に不正確ではない。顕在的な冷却不能は、動的進化の早期打ち切りに起因する数値的アーティファクトである。