[論文レビュー] The first compact objects in the MOND model

S. Stachniewicz, M. Kutschera|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2001

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、非相対論的重力理論（MOND）モデル下での宇宙最初のコンパクトな物体の形成を、気体圧、冷却、非平衡化学を含む球対称収縮シミュレーションを用いて調査している。標準的なa₀を用いる場合、最初の明るい物体は質量~10⁵ M⊙で形成され、赤方偏移z ~ 160（標準a₀）またはz ~ 110（低Ωb）で収縮が開始される。これはΛCDMモデルと比較して著しく早い。今後の望遠鏡観測による検証が可能な予測を提示している。

ABSTRACT

We trace the evolution of a spherically symmetric density perturbation in the MOdified Newtonian Dynamics (MOND) model. 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 the first density perturbations which collapse to form luminous objects have mass $\sim 10^5 M_{\odot}$. The time of the final collapse of these objects depends mainly on the value of the MOND acceleration $a_0$ and also on the baryon density $Ω_b$. For the "standard" value $a_0=1.2 imes 10^{-8}$ cm/s$^2$ the collapse starts at redshift $z \sim 160$ for $Ω_b=0.05$ and $z \sim 110$ for $Ω_b=0.02$.

研究の動機と目的

• 非バリオン的ダークマターを仮定しないMONDモデル下での、宇宙最初のコンパクト物体の形成を調査すること。
• 低加速度領域における重力の修正が、初期の原始密度揺らぎの収縮に与える影響を調査すること。
• 初期構造形成における気体圧、冷却（特にH₂）、化学進化の役割を、MOND下で評価すること。
• 特に最初の明るい物体形成のタイミングに関して、MONDの予測を標準的なΛCDMと比較すること。
• 今後の観測、特に次世代宇宙望遠鏡（NGST）による観測に向けた検証可能な予測を提供すること。

提案手法

• 冷たいダークマターを含まない、Λ支配的で低Ωbのフレリッドマン背景宇宙論下で、球対称かつ自己重力のある気体雲をシミュレートする。
• MONDの修正重力則を、x = g_N / a₀ における補間関数 μ(x) = x / √(1 + x²) を用いて、低加速度領域の重力的力を計算する。
• 非平衡化学ネットワークと結合した流体力学方程式を用いて、収縮するシェルの密度、速度、温度、化学組成の時間発展を追跡する。
• 局所密度の二乗に比例する反応速度を有する、分子水素（H₂）および他の種の冷却を組み込む。
• 物理的に不自然な時間刻みを避けるための数値的トリックとして、臨界半径r_c未満では化学反応と冷却を凍結する。
• 時間発展を数値的に統合するため、運動方程式 d²r/dt² = -f(r) を解く。ここでf(r)は、質量とa₀から導かれるMOND重力的力である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MONDモデル下で最初のコンパクト物体はどの赤方偏移で形成されるか？また、a₀とΩbに依存するか？
• RQ2 MOND下で形成される最初のコンパクト物体の特徴的な質量スケールは何か？気体物理学と準平衡状態との関係は？
• RQ3 気体圧、冷却、化学進化が、ニュートン重力と比較してMOND下での収縮時間尺度にどのように影響を与えるか？
• RQ4 MONDモデルは、標準的なΛCDMと比較して、暗黒時代のタイムラインをどのように変化させるか？
• RQ5 MONDは、NGSTなどの今後の望遠鏡で検出可能な初期の明るい物体を生成できるか？

主な発見

• MONDモデル下での最初のコンパクト物体の特徴的な質量は約10⁵ M⊙であり、これは準平衡ハローとさらなる収縮によるコンパクト物体への境界を示している。
• 標準的なMOND加速度スケールa₀ = 1.2 × 10⁻⁸ cm/s²を用いる場合、Ωb = 0.05では赤方偏移z ≈ 160で、Ωb = 0.02ではz ≈ 110で収縮が開始される。
• a₀の値を低くすると、収縮がz ≈ 50–60に遅れ、形成タイミングがMONDパラメータに強く依存することが示された。
• MONDではΛCDMと比較して収縮プロセスが著しく速く、暗黒時代は標準a₀を用いる場合、z ~ 110–160で終わる可能性がある。
• 特に内側のシェルでは、H₂による冷却が収縮を駆動する上で重要な役割を果たすが、外側のシェルは圧力制御の下で遅く収縮する。
• 高Ωbモデルでは、最大シェル温度が4500 Kに達し、冷却効率が向上し、最終的な収縮が加速される。