[논문 리뷰] On a probable manifestation of Hubble expansion at the local scales, as inferred from LLR data

Yu. V. Dumin|arXiv (Cornell University)|2002. 03. 11.

Geophysics and Gravity Measurements인용 수 9

한 줄 요약

논문은 달의 반장경을 측정하는 레이저 레인지잉(LLL)을 통해 관측된 1.3 cm/yr의 이질적 증가가 단지 tidal 효과가 아닌 국지적 허블 팽창에서 기인할 수 있다고 제안한다. 이는 국지적 허블 상수 $ H_0^{\text{(loc)}} = 33 \pm 5 $ (km/s)/Mpc를 유도하며, 이는 비가닥이 풀린 다크 물질 또는 다크 에너지가 국지적 팽창을 이끄는 반면, 바리온 물질은 밀집된 천체로 붕괴한다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Processing the data of lunar laser ranging (LLR), whose accuracy now reaches a few millimeters, points to the effect of anomalous increase in the lunar semimajor axis (with an excessive rate 1.3 cm/yr), which cannot be attributed to the well-known tidal exchange of angular momentum between the Earth and Moon. One of the possible interpretations of the above-mentioned anomaly may be the "local" Hubble expansion with H = 33 +/- 5 (km/s)/Mpc. This small value of the local Hubble constant (about two times less than at intergalactic scales) can be reasonably explained if it is formed only by some kind of an unclumped "dark matter" or "dark energy", while the other kinds of matter experienced a gravitational instability, formed compact objects, and no longer contribute to the formation of Hubble expansion at the local scales.

연구 동기 및 목표

• LLR 데이터를 사용하여 관측된 달 궤도 팽창 속도와 예측 속도 사이의 괴리 문제를 해결하기 위해.
• 지구-달 거리의 이질적 증가가 tidal 또는 지질물리적 효과가 아닌 국지적 허블 팽창 때문일 수 있는지 조사하기 위해.
• 국지적 허블 상수가 간성간 값보다 감소한 것으로 볼 때 천체물리적 의미를 평가하기 위해.
• LLR가 국지적 천체물리적 팽창을 탐색하는 도구로 활용될 잠재력을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 밀리미터 수준의 정밀도로 고정밀 LLR 데이터를 처리하여 달의 반장경 변화율을 추출하기 위해.
• 관측된 증가율($ \dot{R}^{\text{(LLR)}} = 3.82 $ cm/yr)를 tidal 예측값($ \dot{R}^{\text{(tid)}} = 2.53 $ cm/yr)와 비교하여 이질적 요소를 분리하기 위해.
• 허블 법칙 관계 $ \Delta\dot{R} = H_0^{\text{(loc)}} R $를 적용하여 이질적 증가율에서 국지적 허블 상수를 유추하기 위해.
• 운동량 보존과 궤도역학을 사용하여 tidal 기여도를 모델링하고 tidal 속도 예측의 타당성을 검증하기 위해.
• 비가닥이 풀린 다크 물질 또는 다크 에너지가 바리온 물질이 밀집된 구조로 붕괴하는 동안 국지적 허블 팽창을 유지하는 데 기여하는 역할을 평가하기 위해.
• 최근 1–2 Mpc에서 관측된 안정된 허블 유동과의 일관성을 검토하기 위해 국지적 허블 값의 타당성 평가

실험 결과

연구 질문

• RQ1 국지적 허블 팽창이 tidal 또는 지질물리적 효과가 아닌 이유로 달의 반장경에서 관측된 1.3 cm/yr의 이질적 증가를 설명할 수 있는가?
• RQ2 LLR 데이터로부터 유추된 국지적 허블 상수가 표준 간성간 값보다 현저히 낮은 이유는 무엇인가?
• RQ3 비가닥이 풀린 다크 물질 또는 다크 에너지는 소규모 천체에서 국지적 허블 팽창을 유지하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 LLR 기법을 사용하여 국지적 천체물리적 팽창 속도를 측정하거나 제약 조건을 설정할 수 있는가?
• RQ5 바리온 물질이 밀집된 천체로 붕괴함에 따라 다양한 물질 유형이 국지적 허블 유동에 기여하는 방식은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• LLR와 천체망원경 데이터 비교를 통해 이질적 증가율은 tidal 예측을 초과하여 1.29 cm/yr로 측정되었다.
• 이상적 증가율에 허블 법칙을 적용하여 국지적 허블 상수 $ H_0^{\text{(loc)}} = 33 \pm 5 $ (km/s)/Mpc로 추정되었다.
• 이 값은 표준 간성간 허블 상수의 약 절반으로, 별개의 국지적 천체물리적 메커니즘이 존재할 가능성을 시사한다.
• 이 괴리의 원인은 비가닥이 풀린 다크 물질 또는 다크 에너지만 국지적 팽창에 기여하고, 바리온 물질은 이미 밀집된 천체로 붕괴했기 때문일 수 있다.
• 최근 1–2 Mpc에서 관측된 안정된 허블 유동과 일치하며, 이는 비가닥이 풀린 다크 물질가 존재할 가능성을 시사한다.
• LLR는 국지적 천체물리적 팽창을 탐색하는 새로운 도구로 활용될 수 있으며, $ H_0^{\text{(loc)}} $의 측정 또는 상한선 설정 방법을 제공한다.