[논문 리뷰] Cosmological redshift and nonlinear electrodynamics propagation of photons from distant sources

Herman J. Mosquera Cuesta, Salim, Jose M.외 1명|ArXiv.org|2007. 10. 26.

Radio Astronomy Observations and Technology참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 비선형 전자기역학(NLED)이 약한 간성간 자기장과의 결합으로 인해 천체적 적색편이를 수정하며, 이로 인해 효과적인 적색편이 $1+\tilde{z} = (1+z)\Delta$가 유도된다. 여기서 $\Delta = (1+\Phi_e)/(1+\Phi_o)$ 이고, $\Phi \propto B^2 L_{FF}/L_F$ 이다. 이 보정은 표준 프리드만 예측을 초월하여 적색편이를 증가시키며, 암흑 에너지를 도입하지 않고도 명백한 늦은 시기 가속화를 설명할 수 있다. 이는 진짜 천체의 위치를 유지한다.

ABSTRACT

By-now photons are the unique universal messengers. Cosmological sources like far-away galaxies or quasars are well-known light-emitters. Here we demonstrate that the nonlinear electrodynamics (NLED) description of photon propagation through the weak background intergalactic magnetic fields modifies in a fundamental way the cosmological redshift that a direct computation within a specific cosmological model can abscribe to a distant source. Independently of the class of NLED Lagrangian, the effective redshift turns out to be $1 + ilde{z} = (1 + z) Δ$, where $Δ\equiv (1 + Φ_e)/(1 + Φ_o)$, with $Φ\equiv {8}/{3} ({L_{FF}}/{L_F}) B^2$, being $L_F = {dL}/{dF}$, $L_{FF} = {d^2L}/{dF^2}$, the field $F\equiv F_{αβ} F^{αβ}$, and $B$ the magnetic field strength. Thus the effective redshift is always much higher then the standard redshift, but recovers such limit when the NLED correction $Δ(Φ_e, Φ_o) \longrightarrow 1$. This result may provide a physical foundation for the current observation-inspired interpretation that the universe undergoes an accelerate expansion. However, under the situation analyzed here, for any NLED the actual (spatial) position of the light-emitting far-away source remains untouched.

연구 동기 및 목표

• 원거리 천체에서 온 광자의 천체적 적색편이가 약한 간성간 자기장과의 상호작용으로 인해 비선형 전자기역학(NLED)에 의해 수정되는지 조사하기.
• NLED 효과가 암흑 에너지를 도입하지 않고도 관측된 Ia 초신성의 어두워짐을 설명할 수 있는지 평가하기.
• 특정 라그랑지안 형태에 의존하지 않는 일반적인 NLED 이론에서의 효과적인 적색편이 표현을 유도하기.
• NLED가 허블도 분석과 우주 가속화 해석에 미치는 영향을 평가하기.
• NLED 보정이 초신성 주변 은하의 흡수선에서의 적색편이 측정 오차에 기여할 수 있는지 확인하기.

제안 방법

• 논문은 약한 자기장 내 광자 전파를 모델링하기 위해 특정 NLED 라그랑지안 $L(F) = F + \gamma/F$ 를 사용한다. 여기서 $F = F_{\mu\nu}F^{\mu\u}$ 이다.
• 배경 자기장이 존재하는 조건에서 효과적인 굴절률과 적색편이 보정을 계산하기 위해 필드 평균화 절차를 사용한다.
• 효과적인 적색편이는 $1+\tilde{z} = (1+z)\Delta$ 로 유도되며, 여기서 $\Delta = (1+\Phi_e)/(1+\Phi_o)$ 이고, $\Phi \propto B^2 L_{FF}/L_F$ 이다.
• 등방성과 가정하고, NLED 작용을 포함한 아인슈타인 장 방정식을 사용하여 우주 진화를 모델링한다.
• 모델은 수치적으로 $L(F) = F + 1/F$ 경우에 대해 테스트되었으며, $B^4/\gamma$ 의 함수로 적색편이 증가가 나타났다.
• CMB와 파이오니어 이상현상의 관측 제약 조건을 고려하여 매개변수 $\gamma$ 의 상한을 구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형 전자기역학(NLED)이 약한 간성간 자기장과의 상호작용로 인해 표준 천체적 적색편이를 수정하는가?
• RQ2 NLED 효과가 암흑 에너지를 도입하지 않고도 관측된 우주의 늦은 시기 가속화를 모방하거나 설명할 수 있는가?
• RQ3 NLED 보정이 존재할 경우 효과적인 적색편이 $\tilde{z}$ 는 표준 적색편이 $z$ 와 어떻게 다를까?
• RQ4 적색편이 보정 인자 $\Delta$ 는 자기장 강도와 NLED 매개변수 $\gamma$ 에 따라 어떻게 의존하는가?
• RQ5 NLED 효과가 초신성 주변 은하의 흡수선에서의 적색편이 측정에 체계적인 편향을 일으킬 수 있는가?

주요 결과

• 효과적인 적색편이는 $1+\tilde{z} = (1+z)\Delta$ 로 수정되며, 여기서 $\Delta = (1+\Phi_e)/(1+\Phi_o)$ 이고, $\Phi \propto B^2 L_{FF}/L_F$ 이다. 이는 표준 적색편이에서의 근본적인 이탈을 보여준다.
• 모델 $L(F) = F + 1/F$ 에서, $B^4 \lesssim \gamma$ 일 때 적색편이 증가가 유의미해지며, $B^4 \to \gamma$ 에 수렴함에 따라 발산한다. 그러나 $\gamma$ 의 불확실성으로 인해 이는 물리적으로 타당하지 않을 수 있다.
• 표준 적색편이는 $B^4 \gg \gamma$ 의 극한에서 $\Delta \to 1$ 이 되므로 회복되며, 이는 약한장 영역에서 표준 천체론과의 일관성을 확인한다.
• NLED 보정은 흡수선에서의 적색편이 추정에 내재되어 있으므로, 현재의 허블도는 이 효과를 고려하지 않더라도 이미 포함되어 있을 수 있다.
• 이 모델은 암흑 에너지를 요구하지 않고도 Ia 초신성 데이터에서 관측된 명백한 우주 가속화를 설명할 수 있는 물리적 메커니즘을 제공한다.
• 미래의 초신성과 감마선 폭발 후광에서의 관련 흡수선을 비교함으로써, NLED 예측을 검증할 수 있는 관측이 가능할 것이다.