[논문 리뷰] Acceleration in Modified Gravity (MOG) and the Mass-Discrepancy Baryonic Relation

J. W. Moffat|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 21.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 15인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 수정중력(MOG), 상대론적이고 공변적인 중력 이론이 SPARC 샘플의 153개의 나선은자 및 불규칙은자 은하에서 관측된 질량부족-바리온질량 관계를 정확히 재현함을 보여준다. 뉴턴역학을 α(중력강도)와 μ(벡터장 질량)를 포함하는 양자형 포텐셜로 수정함으로써, MOG는 어두운 물질이 필요 없이 복사 가속도와 바리온질량 분포 사이의 밀도 있는 상관관계를 재현한다.

ABSTRACT

The equation of motion in the generally covariant modified gravity (MOG) theory leads for weak gravitational fields and the non-relativistic limit to a modification of the Newtonian gravitational acceleration law, expressed in terms of two parameters $α$ and $μ$. The parameter $α$ determines the strength of the gravitational field and $μ$ is the effective mass of the vector field $ϕ_μ$, coupled with gravitational strength to baryonic matter. The MOG acceleration law for weak field gravitation and non-relativistic particles has been demonstrated to fit a wide range of galaxies, galaxy clusters and the Bullet Cluster and Train Wreck Cluster mergers. We demonstrate that the MOG acceleration law for a point mass source is in agreement with the McGaugh et al., correlation between the radial acceleration traced by galaxy rotation curves and the distribution of baryonic matter for the SPARC sample of 153 rotationally supported spiral and irregular galaxies.

연구 동기 및 목표

• 수정중력(MOG) 이론이 도는 보행성 은하에서 관측된 경험적 질량부족-바리온질량 관계를 재현할 수 있는지 테스트하는 것.
• 어두운 물질을 도입하지 않고 오직 바리온질량 분포만을 사용하여 은하 회전곡선을 설명할 수 있는 MOG의 능력을 평가하는 것.
• 특히 우리 은하의 회전곡선을 고려할 때, MOG의 장거리 행동이 MOND와 어떻게 비교되는지 분석하는 것.
• MOG를 일반상대성 이론의 완전히 공변적이고 상대론적인 대안으로서 검증하는 것. 이 이론은 등가원리에 부합하며, α = 0일 때 일반상대성 이론으로 수렴한다.

제안 방법

• 시험입자가 질량이 있는 벡터장 φμ에 결합된 운동 방정식을 사용하여, 약한장, 비상대론적 근사에서 MOG 가속도 법칙을 유도한다.
• 점질량 소스에 대해 수정된 뉴턴 포텐셜 Φ(r) = -G_N M / r [1 + α - α exp(-μr)(1 + μr)] 를 적용한다.
• 바리온 밀도 ρ_bar(x)와의 콘볼루션을 통해 점질량 포텐셜을 연속적인 바리온질량 분포로 확장한다.
• SPARC 데이터셋의 153개 은하를 사용하여 MOG에서 예측한 복사 가속도를 관측된 가속도(회전곡선에 의해 추적됨)와 비교한다.
• MOG의 장거리 행동(즉, r → ∞)을 MOND와 비교하여, 평탄한 점근적 행동이 아닌 뉴턴-케플러 감쇠 행동을 예측함을 보여준다.
• 완전한 STVG(스칼라-텐서-벡터중력) 장 방정식을 사용하여 중력 포텐셜과 가속도를 유도함으로써, 일반공변성과 등가원리에 부합하는지를 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MOG는 도는 보행성 은하에서 복사 가속도와 바리온질량 분포 사이의 관측된 일대일 상관관계를 재현하는가?
• RQ2 특히 우리 은하의 회전곡선을 고려할 때, MOG의 장거리 행동이 MOND와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 MOG는 어두운 물질을 도입하지 않고도 은하 회전곡선과 은하단의 역학을 설명할 수 있는가? 동시에 등가원리에 부합하고, α = 0일 때 일반상대성 이론으로 수렴하는가?
• RQ4 MOG 포텐셜은 SPARC 샘플에서 관측된 바리온질량 Tully-Fisher 관계와 질량부족 관계와 일치하는가?
• RQ5 벡터장 질량 매개변수 μ는 중간 거리에서 뉴턴역학에서 수정중력으로의 전이를 어떻게 형성하는가?

주요 결과

• MOG는 SPARC 샘플 전체 153개 은하에 대해 질량부족-바리온질량 관계를 성공적으로 맞추며, 관측된 복사 가속도와 바리온질량 분포 사이의 밀도 있는 상관관계를 재현한다.
• α와 μ를 포함하는 양자형 포텐셜에서 유도된 MOG 가속도 법칙은 어두운 물질이 필요 없이 은하 회전곡선에 잘 맞는다.
• MOG는 장거리에서 뉴턴-케플러 감쇠 행동을 예측하며, 이는 MOND의 평탄한 점근적 행동과 다름을 보이고, 이 예측은 우리 은하의 회전곡선을 R ∼ 200 kpc까지 맞추는 데서 지지된다.
• 이 이론은 약한 등가원리를 만족하며, α = 0일 때 일반상대성 이론으로 수렴하므로 국소 중력 실험과 일치한다.
• MOG는 어두운 물질을 도입하지 않고도 은하단의 역학, 특히 빨간색 기관과 기차 충돌 은하단을 성공적으로 기술한다.
• STVG(MOG) 프레임워크는 바리온질량과 중력을 질량이 있는 벡터장을 통해 통합하는 완전히 공변적이고 상대론적인 이론을 제공하며, 어두운 물질의 일관된 대안을 제시한다.