[논문 리뷰] Chameleon $f(R)$ gravity on the Virgo cluster scale

C. Corbett Moran, Romain Teyssier외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 12.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 후-사위키 카멘 메커니즘을 사용하여 현재까지 가장 높은 해상도의 N-body 줌 시뮬레이션을 수행하여 $f(R)$ 중력 이론을 분석하였다. 결과적으로, 비르고-유사 은하단에서 속도 분산과 렌즈링 프로파일이 $f(R)$ 모델과 $\Lambda$CDM를 구분할 수 있음을 보여주었다. 주요 결과로는 저적색도에서 수정 중력 효과가 위성 성간 집단에서 강력하게 탐지 가능하며, 특히 F4 및 F5 모델에서 두드러지게 나타나며, 환경에 의한 스크리닝 효과는 주로 큰 반경과 잘 해상도가 낮은 준은하에서 두드러진다.

ABSTRACT

Models of modified gravity offer promising alternatives to the concordance $Λ$CDM cosmology to explain the late-time acceleration of the universe. A popular such model is $f(R)$ gravity, in which the Ricci scalar in the Einstein-Hilbert action is replaced by a general function of it. We study the $f(R)$ model of Hu & Sawicki (2007), which recovers standard General Relativity in high density regimes, while reproducing the desired late-time acceleration at cosmological scales. We run a suite of high resolution zoom simulations using the ECOSMOG code to examine the effect of $f(R)$ gravity on the properties of a halo that is analogous to the Virgo cluster. We show that the velocity dispersion profiles can potentially discriminate between $f(R)$ models and $Λ$CDM, and provide complementary analysis of lensing signal profiles to explore the possibility to further distinguish the different $f(R)$ models. Our results confirm the techniques explored by Cabre et al. (2012) to quantify the effect of environment in the behavior of $f(R)$ gravity, and we extend them to study halo satellites at various redshifts. We find that the modified gravity effects in our models are most observable at low redshifts, and that effects are generally stronger for satellites far from the center of the main halo. We show that the screening properties of halo satellites trace very well that of dark matter particles, which means that low-resolution simulations in which subhalos are not very well resolved can in principle be used to study satellite properties. We discuss observables, particularly for halo satellites, that can potentially be used to constrain the observational viability of $f(R)$ gravity.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 시뮬레이션을 통해 허-사위키 $f(R)$ 중력 이론이 은하단 스케일에서 타당한지 조사하기 위해.
• 관측 가능한 성질인 속도 분산과 렌즈링 신호가 $f(R)$ 모델과 $\Lambda$CDM를 구분할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 적색도에 따라 허브성 은하의 위성에 대한 환경 의존성 스크리닝 메커니즘의 영향을 분석하기 위해.
• 서브은하에서 스크리닝 상태를 예측하는 데 사용할 수 있는 대체 지표인 $|\phi_{\rm{ext}}|$와 $D_{11}$의 신뢰성을 평가하기 위해.
• 약한 $f(R)$ 모델(예: F6)이 관측적으로 $\Lambda$CDM와 어떻게 다를 수 있는지 조건을 규명하기 위해.

제안 방법

• 후-사위키 $f(R)$ 중력 모델에서 비르고-유사 허브성 은하단을 모의하기 위해 ECOSMOG 코드를 사용하여 고해상도 N-body 줌 시뮬레이션을 수행하였다.
• 여러 적색도와 $f(R)$ 모델 파라미터(F4, F5, F6)에서 표면 밀도 및 선형 속도 분산 프로파일의 진화를 추적하였다.
• 렌즈링 신호 프로파일을 계산하여 $f(R)$ 중력 예측과 $\Lambda$CDM를 비교하고 관측 가능성을 평가하였다.
• 제5력 효과를 정량화하기 위해 스크리닝 파라미터 $\Delta_M$과 환경적 지표 $|\phi_{\rm{ext}}|$ 및 $D_{11}$을 정의하고 분석하였다.
• 스칼라 장 스크리닝이 은하단 중심과 같은 고밀도 영역에서 제5력을 억제하는 방식을 카멘 메커니즘을 통해 모델링하였다.
• 각 적색도에서 허브성 은하의 잠재력 깊이를 배경 $f_R$ 값과 비교하여 스크리닝된 상태에서 비스크리닝 상태로의 전이를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비르고-유사 은하단에서 속도 분산 프로파일이 $f(R)$ 중력 모델과 $\Lambda$CDM를 강력하게 구분할 수 있는가?
• RQ2 f(R) 중력에서 렌즈링 신호 프로파일은 $\Lambda$CDM와 어떻게 다를 수 있으며, 이를 통해 모델 파라미터를 제약할 수 있는가?
• RQ3 위성 은하에 대한 스크리닝의 환경 의존성은 무엇이며, 적색도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 관측 가능한 지표인 $|\phi_{\rm{ext}}|$는 $f(R)$ 중력에서 위성 은하의 스크리닝 상태를 신뢰성 있게 예측할 수 있는가?
• RQ5 약한 $f(R)$ 모델(예: F6)이 관측적으로 $\Lambda$CDM와 얼마나 다를 수 있으며, 특히 저적색도에서 어떤 정도로 다를 수 있는가?

주요 결과

• F4 및 F5 $f(R)$ 모델의 속도 분산 프로파일은 $\Lambda$CDM 및 F6 모델과 비교해 볼 때, 특히 고적색도에서 강력하게 구분 가능하다.
• 렌즈링 신호 프로파일은 보완적인 구분 능력을 제공하여 중간 적색도에서 F4 및 F5 모델을 구분할 수 있다.
• 각 적색도에서 카멘 스크리닝이 실패하는 특징적인 반경이 존재하며, 이 반경은 모든 모델에서 시간이 지남에 따라 줄어든다.
• 모든 모델과 적색도에서 허브성 은하 외부의 입자는 일반적으로 스크리닝되지 않으며, 이는 저밀도 환경에서 강력한 제5력 효과가 존재함을 시사한다.
• 주 허브성 은하에서 큰 반경에 위치한 위성 은하에서는 약한 $f(R)$ 모델(F6 등)에서 제5력 효과가 증가하며, 외곽으로 갈수록 효과가 커진다.
• 관측 가능한 지표인 $|\phi_{\rm{ext}}|$는 위성 은하의 스크리닝 상태를 신뢰할 수 있는 대체 지표로 기능하지만, $D_{11}$ 이웃 기준은 서브은하에 대해서는 덜 효과적이다.