[論文レビュー] The many tensions with dark-matter based models and implications on the nature of the Universe

Pavel Kroupa, Eda Gjergo+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 7

ひとこと要約

この更新されたレビューは、暗黒物質を基盤とする宇宙論（SMoC：LambdaCDM/WDM）と観測データの間の緊張を概観し、MOND様の代替案を論じ、暗黒物質を必要としないモデルの妥当な方向性を概説する。

ABSTRACT

(Abridged) Fundamental tensions between observations and dark-matter based cosmological models have emerged. This updated review has two purposes: to explore new tensions that have arisen in recent years, compounding the unresolved tensions from previous studies, and to use the shortcomings of the current theory to guide the development of a successful model. Tensions arise in view of the profusion of thin disk galaxies, the pronounced symmetrical structure of the Local Group of Galaxies, the common occurrence of planes of satellite systems, the El Gordo and Bullet galaxy clusters, significant matter inhomogeneities on scales much larger than 100 Mpc, and the observed rapid formation of galaxies and super-massive black holes at redshifts larger than 7. Given the nature of the tensions, the real Universe needs to be described by a model in which gravitation is effectively stronger than Einsteinian/Newtonian gravitation at accelerations below Milgrom's acceleration scale. The promising nuHDM model, anchored on Milgromian dynamics but keeping the standard expansion history with dark energy, solves many of the above tensions. However galaxy formation appears to occur too late in this model, model galaxy clusters reach too large masses, and the mass function of model galaxy clusters is too flat and thus top-heavy in comparison to the observed mass function. Classes of models that reassess inflation, dark energy and the role of the CMB should be explored.

研究の動機と目的

• 標準的な暗黒物質ベースの宇宙論を、観測上の緊張の高まりを踏まえて再評価する意欲を喚起する。
• 銀河スケールから Local Group および大規模構造に至る主要な経験的緊張を要約する。
• 暗黒物質を必要とせず、計算可能な構造形成の枠組みを維持する代替的宇宙論を探索する。
• 発展の指針となるモデル（AMoC、BMoC）の長所と短所を強調し、実現可能な非暗黒物質理論の開発を導く。

提案手法

• 星団から宇宙論の地平線までのスケールにわたる観測的緊張を総合的にレビュー・統合する。
• 標準的なSMoCの公理と補助仮説を新たに出現するデータの“FT”（根本的緊張）およびT1–T5の緊張と比較する。
• 低加速度領域での重力を実質的に解決するMONDを論じ、それをp-ラプラシアンの一般化と関連づける。
• SMoCと同じ膨張史を持つMONDベースのモデルとしてAMoCを提示し、より過激性の低い代替としてBohemianモデル（BMoC）を導入する。
• 現在のシミュレーションが観測された構造（ディスク、プレーン、高赤方偏移銀河など）を再現できない箇所を特定する。
• SMoCの境界条件を緩和しつつ、計算可能性を維持できる潜在的な宇宙論を概説する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河から地平線に至るスケールで暗黒物質ベースの宇宙論（SMoC）の実行可能性をどのような観測的緊張が挑戦しているのか。
• RQ2 MONDに触発された、あるいは他の非暗黒物質系は、主要な力学的・構造的特徴（例：ディスク、衛星の平面）と膨張史を再現できるのか。
• RQ3 AMoCやBMoCのような代替が、構造形成の計算可能性を犠牲にせずに特定の緊張を解決できるのか。
• RQ4 これらの緊張が、宇宙論の基本的要素（ダークエネルギー、インフレーションなど）にどのような含意を持つのか。

主な発見

• 代表的な体積内の銀河の80–90％以上が、SMoCによって予想される繰り返しの融合に対して脆弱な細長く広がった古い星形成ディスクを持っている。
• 局所群および近傍系は、Andromedaや銀河系における平面状・整合的な衛星構造を示し、SMoCの暗黒物質ハローと矛盾することが難しい。
• 消散を伴わない暗黒物質ハローとそれに伴う融合史は、観測された潮汐特徴、バ―パターン速度、および衛星分布（DoS/planes）と整合しないように見える。
• M81群、Fornax矮星系、重力レンズの亜構造の観測は、SMoCが予測する暗黒物質ハローの existenceに挑戦する。
• z_e ~ 20付近で検出された質量が10^9–10^10 M_sunの高赤方偏移銀河は、SMoCが予測するよりも早い形成を示唆しており、初期型銀河のダウンサイズと急速なSMBH形成もこれを支持する。
• ハッブル緊張は大規模な体積流動と不均一性に関連している可能性があり、SMoCによって許容されるより速い構造成長を示唆する。