[논문 리뷰] MOND-like behavior in the Dirac-Milne universe -- Flat rotation curves and mass/velocity relations in galaxies and clusters

G. Chardin, Yohan Dubois외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 17.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 77인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 물질-반물질 대칭성 우주론인 디랙-밀느 우주에서 물질과 반물질 간의 중력 반발력이 암흑물질이 없이도 MOND 유사 행동을 자연스럽게 재현할 수 있다고 제안한다. 분석 모델과 수정된 RAMSES 코드를 사용한 1D/3D 시뮬레이션을 통해, 회전곡선이 약 2.5배의 비어얼 반경을 초과해 평탄해지며, 뉴턴 역학에 기반한 질량 추정치가 체계적으로 과대평가됨을 보여주었고, z=0에서 약 10⁻¹¹ m/s² 정도의 추가 중력장이 존재하여 MOND 가속도 척도 a₀와 일치함을 확인하였다.

ABSTRACT

We show that in the Dirac-Milne universe (a matter-antimatter symmetric universe where the two components repel each other), rotation curves are generically flat beyond the characteristic distance of about 3 virial radii, and that a Tully-Fisher relation with exponent $\approx 3$ is satisfied. Using 3D simulations with a modified version of the RAMSES code, we show that the Dirac-Milne cosmology presents a Faber-Jackson relation with a very small scatter and an exponent equal to $\approx 3$ between the mass and the velocity dispersion. We also show that the mass derived from the rotation curves assuming Newtonian gravity is systematically overestimated compared to the mass really present. We also show that the Dirac-Milne universe, featuring a polarization between its matter and antimatter components, presents a behavior similar to that of MOND (Modified Newtonian Dynamics), characterized by an additional surface gravity compared to the Newtonian case. We show that in the Dirac-Milne universe, at the present epoch, the intensity of the additional gravitational field $g_{am}$ due to the presence of clouds of antimatter is of the order of a few $10^{-11}$ m/s$^2$, similar to the characteristic acceleration of MOND. We study the evolution of this additional acceleration $g_{am}$ and show that it depends on the redshift, and is therefore not a fundamental constant. Combined with its known concordance properties on SNIa luminosity distance, age, nucleosynthesis and structure formation, the Dirac-Milne cosmology may then represent an interesting alternative to the $\Lambda$CDM, MOND, and other scenarios for explaining the Dark Matter and Dark Energy conundrum.

연구 동기 및 목표

• 물질-반물질 반발이 있는 디랙-밀느 우주론이 은하와 군집에서 관측된 평탄한 회전곡선을 재현할 수 있는지 조사하기.
• 이 모델이 암흑물질이나 기본적인 가속도 상수를 도입하지 않고도 자연스럽게 MOND 유사 역학을 생성하는지 테스트하기.
• 디랙-밀느 우주에서 추가 중력장의 기원과 적색편이 의존성 분석하기.
• Tully-Fisher 및 Faber-Jackson 관계와 같은 관측된 척도관계와의 일관성 평가하기.
• 핵합성, 구조 형성 및 허블 매개수 갈등 문제를 고려할 때 모델의 타당성 평가하기.

제안 방법

• 물질-반물질 대칭 우주에서 중력 역학을 모델링하기 위해 수정된 RAMSES 천체역학 시뮬레이션 코드를 사용하였다.
• 고립계에서의 회전곡선과 비어얼 속도를 연구하기 위해 1D 및 3D 시뮬레이션을 적용하였다.
• 반물질 구름이 생성하는 중력장과 그 적색편이 의존성의 분석적 근사를 도입하였다.
• 추가 중력장 강도인 gam의 스케일 인자 a(t)에 따른 진화를 추적하여 적색편이 의존성을 보였다.
• 구조 형성의 중심이 되는 중력적으로 결합된 구조를 식별하기 위해 AdaptaHOP 알고리즘을 사용해 허브 카탈로그를 계산하였다.
• 시뮬레이션된 질량-속도 관계를 관측된 Tully-Fisher 및 Faber-Jackson 관계와 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 디랙-밀느 우주에서 암흑물질 없이도 평탄한 회전곡선을 재현할 수 있는가?
• RQ2 디랙-밀느 모델에서 반물질 구름의 중력장이 z=0에서 MOND 유사 가속도 척도를 생성하는가?
• RQ3 디랙-밀느 모델의 추가 중력장은 일정한 값인가, 아니면 적색편이에 따라 변하는가?
• RQ4 시뮬레이션된 Tully-Fisher 및 Faber-Jackson 관계가 관측 결과와 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 이 모델의 구조 형성 과정은 핵합성 및 대규모 균일성 제약 조건과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 디랙-밀느 우주에서 회전곡선은 약 2.5배의 비어얼 반경을 초과해 일반적으로 평탄해지며, 관측 결과와 일치한다.
• 뉴턴 역학에 기반해 회전곡선에서 유도된 질량은 진정한 질량보다 체계적으로 과대평가되며, 이는 MOND 유사 역학적 불일치를 시사한다.
• 반물질 구름에 기인한 추가 중력장의 현재 강도는 약 10⁻¹¹ m/s²이며, 이는 MOND 가속도 척도 a₀와 정확히 일치한다.
• 이 추가 중력장의 크기인 gam은 적색편이에 따라 변하며, 따라서 표준 MOND와 달리 기본 상수가 아니다.
• Tully-Fisher 및 Faber-Jackson 척도관계는 거듭제곱 법칙 지수 약 3으로 근사적으로 만족되나, 관측된 약 3.85보다 약간 낮다.
• 모델의 구조 형성은 핵합성과 관측된 균일성 척도와 일치하지만, 초기 영역 크기가 제한되어 있어 대규모 시뮬레이션은 여전히 도전 과제이다.