[논문 리뷰] Detailed Solar System dynamics as a probe of the Dark Matter hypothesis

X. Hernández|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 29.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 태양의 중력적 상호작용이 가상의 암흑물질 허브와 상호작용할 경우, 태양 뒤에 따라오는 동적 마찰의 흔적(워크)이 생기며, 이로 인해 태양계 궤도에 측정 가능한 변화를 유도할 것이라고 주장한다. 그러나 정밀한 라디오 레이징 데이터는 이러한 편차를 보이지 않으며, 이는 워크 존재를 배제하고 암흑물질 가설이 은하계 운동을 설명하는 데 있어 강력히 불리한 위치에 놓임을 시사한다.

ABSTRACT

Within the dark matter paradigm, explaining observed orbital dynamics at galactic level through the inclusion of a dominant dark halo, implies also the necessary appearance of dynamical friction effects. Satellite galaxies, globular clusters and even stars orbiting within these galactic halos, will perturb the equilibrium orbits of dark matter particles encountered, to produce a resulting trailing wake of slightly enhanced dark matter density associated with any perturber in the halo. The principal effect of this gravitational interaction between an orbiting body and the dark matter particles composing it, is the appearance of a frictional drag force slowly removing energy and angular momentum from the perturber. Whilst this effect might be relevant to help bring about the actual merger of the components of interacting forming galaxies, at smaller stellar scales, it becomes negligible. However, the trailing wake will still be present. In this letter I show that the corresponding dark matter wake associated to the Sun, will constitute a small but resonant perturbation on solar system dynamics which can be ruled out, as current laser and radio ranging measurements are now over an order of magnitude more precise than the amplitude of the orbital perturbations which said wake implies. The absence of any such detection implies the nonexistence of the dynamical friction trailing wake on the sun, which in turn strongly disfavours dark matter as an explanation for the observed gravitational anomalies at galactic scales.

연구 동기 및 목표

• 암흑물질 가설의 타당성을 검토하기 위해 태양계 궤도에 미치는 암흑물질의 역학적 영향을 분석하는 것.
• 암흑물질 상호작용으로 인해 태양을 따라 뒤따르는 동적 마찰 워크가 측정 가능한 궤도 편차를 유도할 수 있는지 조사하는 것.
• 고정밀 라디오 레이징 데이터를 활용하여 이러한 워크의 존재를 제약하고 암흑물질 이론의 일관성을 시험하는 것.
• 예상되는 편차의 비검출에 기반해 국소 암흑물질 밀도의 상한을 유도하는 것.
• 확장된 중력 모델이 동적 마찰을 유도하는 암흑물질 시나리오보다 태양계 관측과 얼마나 더 잘 일치하는지 평가하는 것.

제안 방법

• 암흑물질 허브를 통과하는 태양의 운동을 동적 마찰에 의해 뒤따르는 뒷편의 흔적을 생성하는 외란자로 모델링하는 것.
• 중력 포텐셜 기울기에서 유도된 준공진 응답 모델을 사용해 워크에 의해 유도되는 반경 방향 가속도 편차를 계산하는 것.
• 궤도 역학 방정식을 사용해 예상되는 편차의 진폭을 화성과 토성의 궤도에 적용하는 것.
• 최신 INPOP17a 천체운동표의 잔차(화성 약 3.6m, 토성 약 31.6m)와 예측된 편차를 비교하는 것.
• 관측된 편차가 존재할 경우 이러한 편차를 관측할 확률을 통계적 유의성으로 평가하는 것.
• 예측된 편차가 관측 신뢰구간 내에 들어오도록 요구함으로써 국소 암흑물질 밀도의 상한을 유도하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 암흑물질 상호작용으로 인해 태양을 따라 뒤따르는 동적 마찰 워크가 태양계 내에서 측정 가능한 궤도 편차를 유도할 수 있는가?
• RQ2 이러한 편차의 예측 진폭은 현재 라디오 레이징 데이터에서의 관측 잔차와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 이러한 편차의 비검출로부터 유도할 수 있는 국소 암흑물질 밀도의 상한은 무엇인가?
• RQ4 비검출의 통계적 유의성이 암흑물질 이론이 태양계 운동과 얼마나 일치하는지에 대해 어떤 도전을 제기하는가?
• RQ5 확장된 중력 모델은 동적 마찰 워크를 유도하는 암흑물질 모델에 비해 얼마나 더 타당한가?

주요 결과

• 화성의 경우 태양의 암흑물질 워크로 인한 예상 반경 방향 편차 진폭은 11.26미터이며, 토성의 경우 252미터이다.
• 이 예측된 편차는 관측 잔차(화성 3.6m, 토성 31.6m)보다 각각 3.13배와 7.85배 더 크다.
• 암흑물질 워크가 존재할 경우 이러한 편차를 관측할 확률은 화성의 경우 0.17%, 토성의 경우 5.7×10⁻¹⁵이다.
• 비검출 결과는 국소 암흑물질 밀도에 대해 화성의 경우 선호되는 값 0.01 M☉ pc⁻³의 3.13배 이하, 토성의 경우 6.8배 이하의 상한을 의미한다.
• 결과는 은하계 회전곡선으로서 엄격히 제약된 표준 암흑물질 허브 밀도 0.01 M☉ pc⁻³와 불일치한다.
• 분석 결과는 확장된 중력 모델이 동적 마찰 워크를 유도하는 암흑물질 모델보다 태양계 관측과 더 잘 일치하는 것으로 나타났다.