[논문 리뷰] Dark matter, a new proof of the predictive power of general relativity

Stéphane Le Corre|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 24.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 42인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 일반 상대성 이론의 선형화된 근사가 은하단 내에서 상대론적 중력 효과로 인해 자연스럽게 보이지 않는 비발광 질량 성분을 생성함을 제안한다. 이는 중력 법칙이나 물질 분포를 수정하지 않고 암흑물질을 설명한다. 이 효과는 태양계 스케일에서는 무시할 만큼 작지만 은하 및 은하단 스케일에서는 유의미해지며, 시험 가능한 예측을 동반하는 관측된 회전 곡선과 천문학적 암흑물질 파rameter를 재현한다.

ABSTRACT

Without observational or theoretical modifications, Newtonian and general relativity seem to be unable to explain gravitational behavior of large structure of the universe. The assumption of dark matter solves this problem without modifying theories. But it implies that most of the matter in the universe must be unobserved matter. Another solution is to modify gravitation laws. In this article, we study a third way that doesn't modify gravitation neither matter's distribution, by using a new physical assumption on the clusters. Compare with Newtonian gravitation, general relativity (in its linearized approximation) leads to add a new component without changing the gravity field. As already known, this component for galaxies is too small to explain dark matter. But we will see that the galaxies' clusters can generate a significant component and embed large structure of universe. We show that the magnitude of this embedding component is small enough to be in agreement with current experimental results, undetectable at our scale, but detectable at the scale of the galaxies and explain dark matter, in particular the rotation speed of galaxies, the rotation speed of dwarf satellite galaxies, the expected quantity of dark matter inside galaxies and the expected experimental values of parameters $Ω$\_dm of dark matter measured in CMB. This solution implies testable consequences that differentiate it from other theories: decreasing dark matter with the distance to the cluster's center, large quantity of dark matter for galaxies close to the cluster's center, isolation of galaxies without dark matter, movement of dwarf satellite galaxies in planes close to the supergalactic plane, close orientations of spin's vectors of two close clusters, orientation of nearly all the spin's vector of galaxies of a same cluster in a same half-space, existence of very rare galaxies with two portions of their disk that rotate in opposite directions...

연구 동기 및 목표

• 은하단과 같은 대규모 구조에서 관측된 중력 효과와 가시 질량 사이의 괴리 문제를 해결하기 위해.
• 일반 상대성 이론 자체가 선형화된 형태로, 중력 법칙이나 물질 함량을 수정하지 않고도 감지 가능한 비발광 질량 성분을 생성할 수 있는지 탐구하기 위해.
• 이 상대론적 보정이 은하의 회전 곡선과 CMB에서 유도된 Ω_dm와 같은 주요 암흑물질 현상을 재현할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 기존 암흑물질 이론과 다른 이론과를 구별할 수 있는 시험 가능한 예측을 유도하기 위해.

제안 방법

• 일반 상대성 이론의 선형화된 근사를 사용하여 은하단의 상대론적 운동량-에너지 텐서에서 기인하는 추가 중력 성분을 계산한다.
• 아인슈타인-인펠트-호프만 형식을 사용하여 은하단의 중력 포텐셜을 모델링하고 상대론적 보정 항을 분리한다.
• 이 보정 항의 크기를 다양한 공간 스케일에서 분석하여, 국소적으로는 무시 가능하지만 은하 및 은하단 스케일에서는 유의미하다는 것을 보여준다.
• 예측된 상대론적 질량 성분을 실제 은하 및 은하단의 관측된 암흑물질 분포와 비교한다.
• 특히 CMB 데이터에서 유도된 Ω_dm와의 일치성을 평가한다.
• 거리에 따라 변화하는 암흑물질 효과 및 은하 자전 축의 정렬과 같은 관측 가능한 결과를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반 상대성 이론의 선형화된 형태가 은하 및 은하단에서 암흑물질을 설명할 만큼 충분한 비발광 질량 성분을 자연스럽게 생성할 수 있는가?
• RQ2 이 상대론적 보정은 태양계 스케일에서는 감지 불가능하지만 은하 및 은하단 스케일에서는 유의미한가?
• RQ3 이 모델이 숨겨진 물질을 도입하지 않고도 관측된 은하의 회전 곡선과 소행성 위성의 회전 곡선을 재현할 수 있는가?
• RQ4 예측된 암흑물질 성분은 은하단 중심에서 거리가 증가함에 따라 어떻게 변화하며, 관측 경향과 일치하는가?
• RQ5 이 모델은 표준 암흑물질 이론이나 수정 중력 이론과를 구별할 수 있는 고유한, 시험 가능한 예측을 내놓는가?

주요 결과

• 일반 상대성 이론의 상대론적 보정은 태양계 스케일에서는 감지할 수 없지만 은하 및 은하단 스케일에서는 유의미한 비발광 질량 성분을 생성한다.
• 이 성분의 크기는 관측된 암흑물질의 양과 일치하며, 특히 CMB 측정에서 유도된 우주론적 파rameter Ω_dm와 일치한다.
• 모델은 은하단 중심에서 멀어질수록 효과적인 암흑물질의 감소를 예측하며, 이는 관측 경향과 일치한다.
• 은하단 중심에 가까운 은하는 상당한 암흑물질을 포함할 것으로 예측되며, 고립된 은하는 완전히 암흑물질이 없을 수도 있다.
• 모델은 은하단 내에서 은하 자전 축의 정렬과 소행성 위성의 평면 궤도를 예측하며, 이는 실제 관측 데이터와 일치한다.
• 이 모델은 반대 방향으로 도는 디스크 성분을 가진 희귀한 은하를 설명할 수 있으며, 이는 표준 암흑물질 모델에서 설명하기 어려운 현상이다.