[논문 리뷰] Solutions to the chained galaxy problem and the observation of receding blue-shifted objects

T. M. Davis, Charles H. Lineweaver외 1명|arXiv (Cornell University)|2001. 04. 21.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 일반 상대성 이론에서, 관측자로부터 일정한 고유 거리에 처음 위치한 은하가 허블 흐름에 합류할 때, 우주론적 모델에 따라 관측자로부터 멀어지거나 다가오게 되며, 이는 일반적인 우주 팽창 개념과 정면으로 배치되는 결과를 낳는다. 현재의 우주론적 모델(우주상수 포함)에서는 은하가 멀어지지만, 이전의 냉각된 어두운 물질 모델에서는 은하가 다가오고 관측자를 통과하여 반대편 하늘에서 재등장한다. 이는 우주 팽창의 직관적 이해를 도전하며, 멀어지는 은하가 청색 시프트를 보일 수 있고, 다가오는 은하가 빨간색 시프트를 보일 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We use the dynamics of a galaxy, set up initially at a constant proper distance from an observer, to derive and illustrate two counter-intuitive general relativistic results. Although the galaxy does gradually join the expansion of the universe (Hubble flow), it does not necessarily recede from us. In particular, in the currently favored cosmological model, which includes a cosmological constant, the galaxy recedes from the observer as it joins the Hubble flow, but in the previously favored cold dark matter model, the galaxy approaches, passes through the observer, and joins the Hubble flow on the opposite side of the sky. We show that this behavior is consistent with the general relativistic idea that space is expanding and is determined by the acceleration of the expansion of the universe -- not a force or drag associated with the expansion itself. We also show that objects at a constant proper distance will have a nonzero redshift; receding galaxies can be blueshifted and approaching galaxies can be redshifted.

연구 동기 및 목표

• 일반 상대성 이론에서 관측자로부터 일정한 고유 거리에 처음 위치한 은하의 역학을 조사하기 위해.
• 우주의 가속도에 의해 지배되는 공간의 팽창이 그러한 은하의 운동에 미치는 영향을 명확히 하기 위해.
• 은하가 멀어지면서도 청색 시프트를 보이거나, 다가오면서도 빨간색 시프트를 보이는 것처럼 보이는 명백한 역설을 해결하기 위해.
• 행동가의 원인이 힘이나 팽창으로 인한 저항력이 아니라 시공간 기하학적 성질임을 보여주기 위해.
• 적색 시프트가 항상 후퇴를 의미하는 것은 아니며, 전통적인 해석 방식에 도전함을 보여주기 위해.

제안 방법

• 프리드만-레마트르-로버르송-워커(FLRW) 시공간에서 지오데식 방정식을 사용해 은하의 운동을 모델링하기 위해.
• 현재의 ΛCDM 모델(우주상수 포함)과 이전의 냉각된 어두운 물질(CDM) 모델에 대해 아인슈타인 방정식의 정확한 해를 사용하기 위해.
• 은하가 고유 거리가 일정한 상태에서 정지해 있던 것을 허블 흐름에 합류하는 동안의 법선 속도와 적색 시프트를 분석하기 위해.
• 우주의 스케일 인자와 상대론적 도플러 공식을 사용해 적색 시프트의 변화를 계산하기 위해.
• 두 모델 간의 결과를 비교하여 대조적인 행동을 보여주기 위해: 후퇴 대 다가옴 및 관측자를 통과하는 행동.
• 스케일 인자의 시간적 변화로 인해 고유 거리가 일정한 상태에서도 적색 시프트가 0이 아님을 보여주기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다른 우주론적 모델에서, 처음으로 일정한 고유 거리에 있는 은하가 허블 흐름에 합류할 때 어떻게 동역학적으로 행동하는가?
• RQ2 일반 상대성 이론에서 왜 후퇴하는 은하가 청색 시프트를 보일 수 있고, 다가오는 은하가 빨간색 시프트를 보일 수 있는가?
• RQ3 은하가 허블 흐름에 합류하는 동안 관측자로부터 멀어지거나 다가오는지 결정하는 요소는 무엇인가?
• RQ4 관측된 운동은 우주 팽창으로 인한 힘이나 저항력 때문인가, 아니면 시공간 팽창의 기하학적 효과 때문인가?
• RQ5 팽창하는 우주에서 고유 거리가 일정한 물체의 적색 시프트는 어떻게 정의되고 측정되는가?

주요 결과

• 현재의 ΛCDM 우주론적 모델에서는, 처음으로 일정한 고유 거리에 있는 은하는 허블 흐름에 합류함에 따라 관측자로부터 멀어진다.
• 이전의 냉각된 어두운 물질 모델에서는 은하가 관측자 쪽으로 다가오고, 관측자를 통과하여 허블 흐름에 합류한 후 하늘의 반대편에서 재등장한다.
• 은하의 운동은 팽창의 가속도에 의해 결정되며, 팽창과 관련된 힘이나 저항력 때문이 아니다.
• 고유 거리가 일정한 물체는 스케일 인자의 시간적 변화로 인해 비제로인 적색 시프트를 나타낼 수 있다.
• 은하가 후퇴하고 있더라도 청색 시프트를 보일 수 있고, 다가오고 있더라도 빨간색 시프트를 보일 수 있는데, 이는 법선 속도와 공간 팽창 간의 상호작용 때문이다.
• 행동는 일반 상대성 이론과 완전히 일치하며, 운동력의 힘 때문이 아니라 시공간 기하학적 성질에서 기인한다.