[논문 리뷰] Galaxy Cluster A1689 in Modified MOND, MOG and Emergent Gravity

Alistair O. Hodson, Hongsheng Zhao|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 29.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 9인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 암흑물질을 도입하지 않고도 렌즈 효과로 유도된 질량 프로파일을 재현할 수 있는지 평가하기 위해 은하단 A1689에서 수정중력 이론들—EMOND, GMOND, MOG, 그리고 잠재적 중력—을 시험한다. 결과적으로 GMOND, EMOND, MOG는 NFW 유사 가속도 프로파일을 성공적으로 재현하지만, 잠재적 중력 이론은 실패한다. 이는 수정중력 모델에서 간성 질량 분포가 핵심적인 역할을 한다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

We model the cluster A1689 in two modified MOND frameworks (EMOND and what we call generalised MOND or GMOND) with the aim of determining whether it is possible to explain the inferred acceleration profile, from gravitational lensing, without the aid of dark matter. We also compare our result to predictions from MOG/STVG and Emergent Gravity. By using a baryonic mass model, we determine the total gravitational acceleration predicted by the modified gravitational equations and compare the result to NFW profiles of dark matter studies on A1689 from the literature. Theory parameters are inferred empirically, with the aid of previous work. We are able to reproduce the desired acceleration profile of A1689 for GMOND, EMOND and MOG, but not Emergent Gravity. There is much more work which needs to be conducted with regards to understanding how the GMOND parameters behave in different environments. Furthermore, we show that the exact baryonic profile becomes very important when undertaking modified gravity modelling rather than ΛCDM.

연구 동기 및 목표

• 수정중력 이론들이 암흑물질을 도입하지 않고도 은하단 A1689의 중력 렌즈 질량 프로파일을 설명할 수 있는지 평가하기 위해.
• EMOND, GMOND, MOG, 그리고 잠재적 중력 이론들이 A1689에서 관측된 NFW 유사 가속도 프로파일을 얼마나 잘 재현하는지 평가하기 위해.
• 수정중력 모델에서 간성 질량 분포의 정밀한 형태가 결과에 얼마나 민감한지 조사하기 위해.
• A1689 데이터를 활용하여 GMOND와 EMOND의 이론적 매개변수(예: $A_0$, $f$)에 대한 경험적 제약 조건을 탐색하기 위해.
• 문헌에서 보고된 표준 $\Lambda$CDM NFW 암흑물질 프로파일과 이 수정중력 프레임워크의 예측를 비교하기 위해.

제안 방법

• 관측된 항성 및 가스 분포를 사용하여 A1689의 간성 질량 모델을 구축하고 뉴턴 중력 포텐셜을 계산하기 위해.
• EMOND(여기서 $a_0$는 포텐셜의 함수임), GMOND(조정 가능한 매개변수 $f$와 $A_0$ 두 개를 가짐), MOG, 그리고 잠재적 중력의 수정중력 방정식을 적용하여 총 중력 가속도를 계산하기 위해.
• 각 이론에서 예측한 가속도 프로파일을 A1689의 렌즈 연구에서 유도된 NFW 암흑물질 프로파일과 비교하기 위해.
• 관측된 프로파일에 맞추기 위해 GMOND의 최적의 $A_0$ 및 $f$ 값을 경험적으로 피팅하여 자유 매개변수로 간주하기 위해.
• 간성 질량 프로파일의 변동에 따른 결과 민감도를 평가하여, 이러한 세부 사항이 수정중력 예측에 상당한 영향을 미친다는 것을 강조하기 위해.
• 렌즈 데이터와의 일치성을 평가하기 위해 예측된 가속도를 유도된 렌즈 질량 프로파일과 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EMOND, GMOND, MOG, 또는 잠재적 중력 이론이 암흑물질 없이 A1689의 렌즈로 유도된 질량 프로파일을 재현할 수 있는가?
• RQ2 GMOND의 매개변수 $A_0$와 $f$는 예측된 가속도 프로파일에 어떤 영향을 미치며, A1689에 대해 경험적으로 제약 조건을 설정할 수 있는가?
• RQ3 정확한 간성 질량 분포가 $\Lambda$CDM와 비교할 때 수정중력 모델의 결과에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 EMOND와 GMOND의 예측가 A1689의 중력 렌즈를 설명하는 데 MOG와 잠재적 중력의 예측보다 더 나은가?
• RQ5 GMOND의 $A_0$와 $f$ 값에 대한 역학적 메커니즘이 존재하는가, 아니면 현재로서는 순수하게 경험적 매개변수인가?

주요 결과

• GMOND, EMOND, 그리고 MOG는 암흑물질을 요구하지 않고도 A1689에서 중력 렌즈로 유도된 NFW 유사 가속도 프로파일을 성공적으로 재현한다.
• 잠재적 중력 이론은 관측된 렌즈 질량 프로파일을 재현하지 못하여, 테스트된 가정 하에 A1689의 역학을 설명할 수 없다는 것을 시사한다.
• GMOND의 $A_0$ 값은 예측된 가속도 프로파일의 농도를 효과적으로 제어하는 조절 가능한 매개변수로 작용하며, $\Lambda$CDM의 농도 매개변수와 유사하다.
• GMOND에서 $A_0$를 $50a_0$에서 $200a_0$로 조정할 경우, 예측 프로파일이 NFW 프로파일과 겹치는 범위로 이동함을 보여주며, 이는 이 매개변수에 민감함을 입증한다.
• 간성 질량 분포의 정확한 형태와 크기는 수정중력 모델에서 예측된 중력 가속도에 상당한 영향을 미치며, 이는 $\Lambda$CDM와는 다름을 나타낸다.
• 본 연구는 향후 렌즈 분석 및 삼축 모델링에 대한 필요성을 제기하며, 현재 모델은 구형 대칭을 가정하고 있어 A1689의 실제 형태와 다를 수 있음을 시사한다.