[논문 리뷰] Alternatives to dark matter: Modified gravity as an alternative to dark matter

Jacob D. Bekenstein|arXiv (Cornell University)|2010. 01. 21.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 9인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 수정 뉴턴역학(MOND)의 상대론적 확장으로서 텐서-벡터-스칼라(TeVeS) 이론을 제안하며, 낮은 가속도에서 중력을 수정함으로써 어두운 물질의 대안을 제공한다. TeVeS는 어두운 물질이나 어두운 에너지를 도입하지 않고도 은하 회전곡선, 중력 렌즈 효과, 천체물리학적 및 우주론적 관측 결과—구조 형성과 늦은 시기의 가속 팽창 포함—을 재현할 수 있음을 보여준다. 이는 스칼라-텐서-벡터 프레임워크와 피드백 메커니즘을 통해 어두운 물질의 역할을 대체하는 것이다.

ABSTRACT

The premier alternative to the dark matter paradigm is modified gravity. Following an introduction to the relevant phenomenology of galaxies, I review the MOND paradigm, an effective summary of the observations which any theory must reproduce. A simple nonlinear modified gravity theory does justice to MOND at the nonrelativistic level, but cannot be elevated to the relativistic level in a unique way. I go in detail into the covariant tensor-vector-theory (TeVeS) which not only recovers MOND but can also deal in detail with gravitational lensing and cosmology. Problems with MOND and TeVeS at the level of clusters of galaxies are given attention. I also summarize the status of TeVeS cosmology.

연구 동기 및 목표

• 수정 중력, 특히 TeVeS가 천체물리학적 및 우주론적 척도에서 어두운 물질 프레임워크의 타당한 대안이 될 수 있는지 조사하는 것.
• 완전히 공변적인 이론을 구성하여 MOND가 상대론적 수준에서 가지는 한계를 해결하는 것.
• TeVeS가 평탄한 은하 회전곡선, 복합 물질 Tully-Fisher 관계, 은하단에서의 중력 렌즈 효과와 같은 핵심 관측 결과를 재현할 수 있는지 시험하는 것.
• TeVeS가 어두운 물질이나 어두운 에너지를 도입하지 않고도 구조 형성과 늦은 시기의 우주 팽창을 설명할 수 있는지 평가하는 것.
• 우주론적 편미분 이론과 렌즈 조사에서 TeVeS와 일반 상대성 이론을 비교하여 관측 가능한 차이점을 식별하는 것.

제안 방법

• 수정 뉴턴역학(MOND)의 상대론적 일반화로서 스칼라 장, 벡터 장, 메트릭 텐서를 포함하는 텐서-벡터-스칼라(TeVeS) 이론을 개발한다.
• TeVeS의 비상대론적 근사로 AQUAL(A Quadratic Lagrangian) 형식을 사용하여 은하 내의 MOND 역학을 모델링한다.
• TeVeS의 전체 공변 형식을 적용하여 우주론적 편미분을 계산하고, 천체복사배경 및 대규모 구조 데이터와의 비교를 가능하게 한다.
• 푸리에 해법기와 같은 수치 해법기를 사용하여 1E0657–56 및 Cl0024+17와 같은 은하단 시스템에서의 중력 렌즈를 시뮬레이션한다.
• 관측된 스펙트럼과 허블 팽창을 일치시키기 위해 TeVeS 우주론에서 질량이 있는 중성자와 우주상수의 역할을 분석한다.
• 약한 렌즈 조사와 CMB 이방이성과 간의 은하 밀도 상관관계를 비교하여 TeVeS의 예측과 일반 상대성 이론 간의 관측적 차이점을 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TeVeS와 같은 상대론적 중력 이론이 어두운 물질을 도입하지 않고도 관측된 평탄한 은하 회전곡선을 재현할 수 있는가?
• RQ2 특히 1E0657–56 및 Cl0024+17 시스템에서 TeVeS는 충돌하지 않는 어두운 물질 성분이 필요 없이 은하단에서의 중력 렌즈 효과를 얼마나 잘 설명할 수 있는가?
• RQ3 TeVeS 우주론은 어두운 물질이나 어두운 에너지를 도입하지 않고도 관측된 천체복사배경 스펙트럼과 대규모 구조 형성을 재현할 수 있는가?
• RQ4 TeVeS에서 스칼라 및 벡터 장 편미분은 구조 성장과 늦은 시기의 우주 팽창을 이끄는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 약한 렌즈 조사와 CMB 이방이성과의 은하 밀도 상관관계와 같은 관측적 시험을 통해 TeVeS와 일반 상대성 이론을 구별할 수 있는가?

주요 결과

• TeVeS는 복합 물질 Tully-Fisher 관계의 기울기를 정확히 4로 재현하며, 복합 물질 질량이 6개 온도 수준에 걸쳐 관측 결과와 일치한다.
• 1E0657–56 은하단에서 순수하게 복합 물질 분포만으로는 렌즈 효과를 설명할 수 없으며, 충돌하지 않는 성분—예를 들어 2 eV 중성자—가 포함되어야 한다. 시뮬레이션 결과 이 성분이 필수적임을 시사한다.
• Cl0024+17에서 관측된 은하 또는 뜨거운 가스와 일치하지 않는 고리형 질량 분포는 MOND에 의해 예측되며, 2 eV 중성자를 포함한 TeVeS로도 모델링 가능하지만, 아직 완전한 TeVeS 모델은 구성되지 않았다.
• Skordis(2006)는 질량이 있는 중성자와 우주상수를 포함할 경우 TeVeS가 관측된 천체복사배경 스펙트럼과 대규모 구조 형성을 어두운 물질 없이 재현할 수 있음을 보여주었다.
• Dodelson과 Liguori(2006)는 TeVeS에서의 벡터 장 편미분이 구조 성장을 이끌 수 있음을 발견하여, 벡터 장이 구조 형성에서 어두운 물질의 역할을 대체할 수 있음을 시사한다.
• Zhao(2006)는 TeVeS 함수 F의 특정 선택이 초기 시기의 냉각 어두운 물질 행동과 늦은 시기의 가속 팽창을 모두 재현할 수 있는 우주론적 모델을 만들어내며, 어두운 물질이나 어두운 에너지를 도입하지 않고도 이를 달성함을 보여주었다.