[논문 리뷰] DHOST gravity in Ultra-diffuse galaxies -- Part I: the case of NGC1052-DF2

Enrico Laudato, Vincenzo Salzano|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 13.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 114인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 암흑물질을 도입하지 않고도 NGC1052-DF2의 낮은 속도 분산을 설명할 수 있는가를 검토한다. 10개의 군집을 추적자로 사용하여 DHOST 중력 이론을 두 가지 상황—어느 한 경우는 어둠센 에너지만으로 작용하거나, 다른 경우는 어둠센 에너지와 어둠센 물질을 모두 대체하는 경우—에서 시험한다. 일반 상대성 이론이 여전히 통계적으로 유리한 것으로 나타났지만, DHOST 모델은 어둠센 물질을 완전히 대체하는 상황에서는 일반 상대성 이론과 유사한 성능을 보이며, 이는 이러한 은하가 수정 중력 이론을 배제하지 않는다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

The Ultra-Diffuse galaxy NGC1052-DF2 has recently been under intense scrutiny because from its kinematics it has revealed to be "extremely deficient" in dark matter, if not lacking it at all. This claim has raised many questions and solutions regarding the relationship between baryons and dark matter in Ultra-Diffuse galaxies. But there seems to be a quite unanimous belief that, if such very low dark matter content is confirmed and extended to other similar galactic objects, it might be a deathblow to theories which modify and extend General Relativity. Deficient dark matter galaxies thus represent a fertile ground to test both standard dark matter and modified gravity theories. In this work, we consider a specific Degenerate Higher-Order Scalar Tensor model to study the velocity dispersion of ten compact globular clusters-like objects associated with NGC1052-DF2 to infer the dynamical mass of the galaxy. Due to the partial breaking of the corresponding screening mechanism, this model can possibly have large cosmological scale effects influencing the dynamics of smaller structures like galaxies. We consider two scenarios: one in which the model only describes dark energy; and one in which it additionally entirely substitutes dark matter. We find that the best model to explain data is the one in which we have General Relativity and only stellar contribution. But while in former scenario General Relativity is still statistically (Bayesian) favoured, in the latter one the alternative model is as much successful and effective as General Relativity in matching observations. Thus, we can conclude that even objects like NGC1052-DF2 are not in contrast, and are not obstacles, to the study and the definition of a reliable alternative to General Relativity.

연구 동기 및 목표

• DHOST 중력—부분적인 스크리닝을 갖는 수정 중력 이론—이 어둠센 물질 없이 NGC1052-DF2의 낮은 동역질량을 설명할 수 있는지 평가하기.
• NGC1052-DF2의 10개의 군집에서 관측된 속도 분산이 DHOST 중력으로 어떻게 설명될 수 있는지 두 가지 상황에서 테스트하기: (1) 어둠센 에너지만으로 작용하거나, (2) 어둠센 에너지와 어둠센 물질을 모두 대체하는 경우.
• NGC1052-DF2에서 어둠센 물질이 부족한 것이 확장된 중력 이론에 대한 근본적인 도전이 되는지 평가하기.
• 이론적 운동학을 설명할 때 일반 상대성 이론과 DHOST 모델 중 어느 것이 베이지안 모델 비교에 의해 더 유리한지 결정하기.

제안 방법

• NGC1052-DF2 내 10개의 군집 유사 물체에서의 항성 속도 분산 데이터를 동역질량을 추론하기 위한 동역학적 추적자로 사용한다.
• 특정 DHOST 중력 모델을 적용하여 Vainshtein 스크리닝 메커니즘의 부분적 붕괴를 허용함으로써, 우주 척도의 수정이 은하 척도의 운동에 영향을 줄 수 있도록 한다.
• 이론적 두 상황을 비교한다: (1) DHOST가 어둠센 에너지의 대체로만 작용하고 표준 어둠센 물질이 존재하는 경우; (2) DHOST가 어둠센 에너지와 어둠센 물질를 모두 완전히 대체하는 경우.
• 베이지안 모델 비교(베이즈 인자)를 사용하여 일반 상대성 이론과 DHOST 모델 간의 통계적 선호도를 평가한다.
• 이전 연구에서의 X선 및 렌즈 데이터 제약 조건을 활용하여 사전 분포와 모델 일관성을 정보화한다.
• 구형 대칭 조건에서 제인 방정식을 사용하여 관측된 속도 분산과 총 질량 프로파일 간의 관계를 DHOST 중력에서 수정된 중력 포텐셜을 포함하여 기술한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DHOST 중력은 어둠센 물질 없이 NGC1052-DF2의 낮은 속도 분산을 설명할 수 있는가?
• RQ2 DHOST 모델은 NGC1052-DF2의 군집 운동학을 일반 상대성 이론만큼 잘 맞출 수 있는가?
• RQ3 NGC1052-DF2에서 어둠센 물질이 부족한 것으로 보이는 것은 DHOST와 같은 수정 중력 이론과 일관성이 없는가?
• RQ4 어둠센 물질이 DHOST 스칼라 장으로 완전히 대체될 경우, DHOST 중력과 일반 상대성 이론 중 어느 것이 더 통계적으로 유리한가?
• RQ5 DHOST 중력에서 스크리닝 메커니즘의 부분적 붕괴가 저표면 밝기 은하에서의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 관측된 속도 분산 데이터에 가장 잘 맞는 모델은 어둠센 물질 기여 없이 항성 질량 기여만을 포함한 일반 상대성 이론이다.
• DHOST 중력이 어둠센 에너지만 대체하는 상황에서는 일반 상대성 이론이 여전히 통계적으로 유리하지만, DHOST 모델은 약간의 베이지안 증거를 보인다.
• DHOST 중력이 어둠센 에너지와 어둠센 물질를 모두 완전히 대체하는 상황에서는 DHOST 모델이 관측 데이터를 일반 상대성 이론만큼 효과적으로 설명한다.
• 완전한 대체 상황에서 베이지안 증거는 일반 상대성 이론이 DHOST 모델보다 유리하다고 결정적으로 지지하지 않으며, 이는 데이터가 어둠센 물질 대체로 수정 중력 이론을 수용할 수 있음을 시사한다.
• 결과적으로 NGC1052-DF2의 낮은 어둠센 물질 함량이 DHOST 중력이나 유사한 확장된 중력 이론을 배제하지 않는다는 것을 시사한다.
• DHOST 중력에서 스크리닝 메커니즘의 부분적 붕괴는 우주 척도의 수정이 은하 척도의 운동에 영향을 줄 수 있도록 하며, 이는 어둠센 물질을 도입하지 않고 저어둠센 물질 은하를 설명할 수 있는 타당한 후보로 만든다.