[논문 리뷰] Observational constraints on the slope of the radial acceleration relation at low accelerations

Kyle A. Oman, Margot M. Brouwer외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 11.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 8인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 관측된 가속도 프로파일이 $ g_{\text{obs}} \propto r^{-1} $ 이상으로 기울어져 있을 경우, 기준 RAR에서 예측하는 물리적으로 불가능한 비정상적인 복합질량 프로파일을 식별함으로써, 낮은 가속도에서 반경 방향 가속도 관계(RAR)를 모델에 종속되지 않게 테스트하는 방법을 제안한다. 약한 렌즈링, 소형 구형은하 역학, 외부 은하계의 밀라우니 동역학을 통해, 낮은 가속도에서 RAR 기울기가 더 급격할 가능성이 약한 증거로 발견되었으며, 이는 MOND 유사 행동의 잠재적 이탈을 시사한다.

ABSTRACT

The radial acceleration relation (RAR) locally relates the `observed' acceleration inferred from the dynamics of a system to the acceleration implied by its baryonic matter distribution. The relation as traced by galaxy rotation curves is one-to-one with remarkably little scatter, implying that the dynamics of a system can be predicted simply by measuring its density profile as traced by e.g. stellar light or gas emission lines. Extending the relation to accelerations below those usually probed by practically observable kinematic tracers is challenging, especially once accounting for faintly emitting baryons, such as the putative warm-hot intergalactic medium, becomes important. We show that in the low-acceleration regime, the (inverted) RAR predicts an unphysical, declining enclosed baryonic mass profile for systems with `observed' acceleration profiles steeper than $g_{ m obs}\propto r^{-1}$ (corresponding to density profiles steeper than isothermal - $ρ(r)\propto r^{-2}$). If the RAR is tantamount to a natural law, such acceleration profiles cannot exist. We apply this argument to test the compatibility of an extrapolation of the rotation curve-derived RAR to low accelerations with data from galaxy-galaxy weak lensing, dwarf spheroidal galaxy stellar kinematic, and outer Milky~Way dynamical measurements, fully independent of the uncertainties inherent in direct measurements of the baryonic matter distribution. In all cases we find that the data weakly favour a break to a steeper low-acceleration slope. Improvements in measurements and modelling of the outer Milky~Way, and weak lensing, seem like the most promising path toward stronger constraints on the low-acceleration behaviour of the RAR.

연구 동기 및 목표

• 복합질량 측정에 의존하지 않고 저가속도에서 반경 방향 가속도 관계(RAR)의 거동를 테스트하기 위해.
• 기준 RAR 하에서 복합질량 프로파일이 감소하는 물리적으로 불가능한 가속도 프로파일을 식별하기 위해.
• 약한 렌즈링, dSph 및 외부 밀라우니 역학 데이터에서 기준 $ g_{\text{obs}} \propto \sqrt{g_{\text{bar}}} $ 보다 더 급격한 RAR 기울기를 선호하는지 평가하기 위해.
• 수정 중력 이론와 암흑물질 모델을 구분하는 데 유의미한 저가속도에서 RAR 기울기에 대한 모델에 종속되지 않은 제약 조건을 제공하기 위해.
• 미래의 약한 렌즈링 및 외부 은하계 데이터가 저가속도 RAR에 대한 제약 조건을 강화할 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• 관측된 가속도 프로파일이 $ g_{\text{obs}} \propto r^{-1 $ 보다 급격할 경우, 반전된 RAR가 물리적으로 불가능한 감소하는 누적 복합질량 프로파일을 예측하는 조건을 유도한다.
• 이 기준을 은하-은하 약한 렌즈링, dSph 별 운동역학, 외부 밀라우니 역학 데이터에 적용하여 기준 RAR와의 일관성을 테스트한다.
• 복합질량 프로파일에 의존하지 않고 독립적인 역학 측정을 통해 관측된 가속도 프로파일 $ g_{\text{obs}}(r) $ 를 사용한다.
• 역학적 평형과 구형 대칭을 가정하여 관측된 가속도와 유도된 복합질량 프로파일을 연결한다.
• RAR 기울기 변화의 가능성은 예측된 복합질량 프로파일을 물리적 제약 조건과 비교하여 평가한다.
• 기존의 데이터 세트와 이전 연구들(예: Read 등 2019)의 마르코프 체인을 활용하여 RAR 기울기에 대한 근사적 제약 조건을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저가속도에서 반경 방향 가속도 관계(RAR)는 복합질량 분포 측정 없이 제약 조건을 받을 수 있는가?
• RQ2 기준 RAR 하에서 관측된 가속도 프로파일이 $ g_{\text{obs}} \propto r^{-1} $ 보다 급격할 경우 물리적으로 타당한가?
• RQ3 약한 렌즈링, dSph 역학, 외부 밀라우니 데이터는 저가속도에서 RAR 기울기가 더 급격해지는 증거를 보이는가?
• RQ4 RAR의 저가속도 거동은 수정 중력(예: MOND) 모델과 일치하는가, 아니면 암흑물질 모델과 일치하는가?
• RQ5 외부 밀라우니와 은하-은하 약한 렌즈링은 저가속도 RAR 기울기에 대해 더 강력한 제약 조건을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 기준 RAR는 관측된 가속도 프로파일이 $ g_{\text{obs}} \propto r^{-1} $ 보다 급격할 경우, 물리적으로 불가능한 감소하는 복합질량 프로파일을 예측한다. 이는 RAR가 성립한다면 그러한 프로파일이 존재할 수 없음을 의미한다.
• 외부 밀라우니 데이터는 약간 더 급격한 RAR 기울기가 존재할 가능성을 시사하지만, 제약 조건은 아직 근사적이고 초보적이다.
• 소형 구형은하(dSph)의 역학은 저가속도 RAR에 대한 강력한 제약 조건을 제공할 가능성이 있지만, 현재는 RAR 기울기가 1/2일 경우 MOND와 일치하지 않는다.
• 은하-은하 약한 렌즈링은 향후 제약 조건에 매우 유망한 방법으로 확인되었으며, 후속 연구가 준비 중이다.
• 명백한 모델에 종속되지 않은 RAR 기울기 변화에 대한 증거는 발견되지 않았지만, 여러 데이터 세트에서 약 68% 신뢰수준에서 암시적인 증거가 있다.
• 결과는 $ \Lambda\text{CDM} $ 모델에서는 저가속도에서 RAR가 결국 $ g_{\text{obs}} = g_{\text{bar}} / f_{\text{b}} $ 쪽으로 다시 굽어질 수 있음을 시사하며, 반면 MOND는 계속해서 $ g_{\text{obs}} \propto \sqrt{g_{\text{bar}}} $ 스케일링을 예측한다.