[논문 리뷰] Dark matter is a manifestation of the vacuum Bose-Einstein condensate

Valeriy I. Sbitnev|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 01.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 25인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 초유체 양자 진공에서 비어 있는 보즈-아인슈타인 응축체(BEC)가 안정적이고 일관된 가우시안 바람개비 구름을 형성함으로써 암흑물질이 유래된다고 제안한다. 수정된 라우지-니비에르-스토크스 방정식에 양자 포텐셜 항을 포함시켜, 초저주파수에서 은하 물질과 진공의 제로점 에너지 진동 간의 에너지 교환을 모델링함으로써, 비바리온 암흑물질 입자를 도입하지 않고도 은하의 평탄한 회전곡선을 유도한다. 이는 관측된 일정한 궤도 속도를 설명한다.

ABSTRACT

The vorticity equation stemming from the modified Navier-Stokes equation gives a solution for a flat profile of the orbital speed of spiral galaxies. Solutions disclose existence of the Gaussian vortex clouds, the coherent vortices with infinite life-time, what can be a manifestation of the dark matter. The solutions also disclose what we might call a breathing of the galaxies - due to an exchange of the vortex energy with zero-point fluctuations in the vacuum. .

연구 동기 및 목표

• 비바리온 암흑물질 입자를 도입하지 않고도 나선은하의 평탄한 회전곡선을 설명한다.
• 뉴턴 역학의 예측과 관측된 은하 회전 속도 간의 괴리 문제를 다룬다.
• 암흑물질이 별개의 입자가 아니라 양자 진공 구조의 거시적 표현임을 제안한다.
• 진공을 수정된 라우지-니비에르-스토크스 방정식에 의해 지배되는 초유체 매질로 모델링한다.
• 이 매질 내에서 일관된 바람개비가 무한히 지속 가능하며 관측된 은하 역학을 재현할 수 있음을 보여준다.

제안 방법

• 드 브로이-보함 유체역학적 표현에서 유도된 양자 포텐셜 항을 포함한 수정된 라우지-니비에르-스토크스 방정식을 채택한다.
• 진공 압력과 내부력을 모델링하기 위해 $ Q = -\frac{\hbar^2}{4m}\frac{\nabla^2\rho}{\rho} + \frac{\hbar^2}{8m}\frac{(\nabla\rho)^2}{\rho^2} $ 라는 양자 포텐셜 $ Q $ 를 도입한다.
• 수정된 라우지-니비에르-스토크스 방정식에서 유도된 코히어런스 방정식을 사용하여 평탄한 궤도 속도 프로파일을 갖는 해를 찾는다.
• 효과 질량과 확산 계수 $ D = \hbar/2m $ 를 갖는 가상의 입자-반입자 쌍의 보즈-아인슈타인 응축체로 진공을 모델링한다.
• 은하 물질과 진공 간의 에너지 교환에 대한 시간 척도로 초저주파수 모드 $ \Omega_n $ (10^{-18} ~ 10^{-15} Hz) 를 식별한다.
• 관측된 평탄한 회전곡선을 시간 평균에서 점성이 사라지지만 분산은 비영인 상태로 설명하며, 이는 양자 진공 진동에 의해 유도된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나선은하의 평탄한 회전곡선은 비바리온 암흑물질을 가정하지 않고 설명될 수 있는가?
• RQ2 양자 진공 내에서 장수하고 일관된 바람개비를 형성할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 은하 물질과 진공 간의 에너지 교환은 어떻게 안정적이고 일정한 궤도 속도를 유도하는가?
• RQ4 양자 포텐셜은 진공 내에서 효과적인 중력 유사 힘을 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 관측된 은하의 대규모 구조와 역학은 초저주파수에서의 진공 진동으로부터 유래할 수 있는가?

주요 결과

• 양자 포텐셜을 포함한 수정된 라우지-니비에르-스토크스 방정식은 나선은하의 관측 결과와 일치하는 평탄한 궤도 속도 프로파일을 갖는 해를 도출한다.
• 이 모델은 초유체 진공 내에서 장수하고 일관된 바람개비 클라우드—즉, 암흑물질의 유사체로 기능하는 구조—의 존재를 예측한다.
• 은하 물질과 진공의 제로점 진동 간의 에너지 교환으로 인해 초저주파수 $ \Omega_n \approx 10^{-18} $ ~ $ 10^{-15} $ Hz 에서 시간에 따라 변하는 작은 진동(은하의 '호흡')이 관측된다.
• 가장 긴 파장 모드 $ \lambda_c \approx 1.36 \times 10^{26} $ m 은 허블 반경($ r_{HS} \approx 14 $ 양초년)과 매우 유사하여, 우주 척도의 평탄한 회전 프로파일을 갖는다.
• 기본 주파수 $ \Omega_c \approx 2.2 \times 10^{-18} $ Hz 에서 유도된 효과적 글루온 질량 $ m_g \approx 2.6 \times 10^{-69} $ kg 는 홀로그래픽 및 천체물리학 모델과 일치한다.
• 점성 계수 $ \nu(t) $ 는 초저주파수에서 부호를 번갈아가며, 진공에서 물질으로의 에너지 전달(팽창) 또는 반대로 물질에서 진공으로의 에너지 전달(수축)을 가능하게 하여, 특이점이 없는 순환 우주 모델을 지지한다.