[논문 리뷰] Structure Growth and the CMB in Modified Gravity (MOG)

J. W. Moffat|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 02.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 1인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 어두운 물질을 도입하지 않고 우주의 구조 형성과 CMB 스펙트럼을 설명하기 위해, 페온이라고 불리는 가벼운 중성 벡터 입자를 도입한 수정 중력(MOG)을 제안한다. 페온은 초기 우주에서 에너지 밀도를 지배하며, 압력이 없는 제인-유사 메커니즘을 통해 빠른 밀도 불안정성 성장을 가능하게 한다. 반면, 복사-바리온 진동은 플랑크 2013년 데이터와 일치하는 CMB 음향 피크를 생성한다. 이 모델은 또한 증가된 중력 상수를 통해 은하의 파wer 스펙트럼에도 잘 맞춘다.

ABSTRACT

An important piece of evidence for dark matter is the need to explain the growth of structure from the time of horizon entry and radiation-matter equality to the formation of stars and galaxies. This cannot be explained by using general relativity without dark matter. So far, dark matter particles have not been detected in laboratory measurements or at the LHC. We demonstrate that enhanced structure growth can happen in a modified gravity theory (MOG). The vector field and particle introduced in the theory to explain galaxy and cluster dynamics plays an important role in generating the required structure growth. The particle called the phion (a light hidden photon) is neutral and is a dominant, pressureless component in the MOG Friedmann equations, before the time of decoupling. The dominant energy density of the phion particle in the early universe, generates an explanation for the growth of density perturbations. The angular acoustical power spectrum due to baryon-photon pressure waves is in agreement with the Planck 2013 data. As the universe expands and large scale structures are formed, the density of baryons dominates and the rotation curves of galaxies and the dynamics of clusters are explained in MOG, when the phion particle in the present universe is ultra-light. The matter power spectrum determined by the theory is in agreement with current galaxy redshift surveys.

연구 동기 및 목표

• 일반 상대성 이론에서 어두운 물질을 도입하지 않고 천체 구조 형성 문제를 해결하기 위해.
• 오직 바리온 물질과 수정 중력만을 사용하여 관측된 CMB의 각도 스펙트럼을 설명하기 위해.
• MOG가 은하 적색편이 조사에서 관측된 물질 파워 스펙트럼을 재현할 수 있음을 보여주기 위해.
• 미래의 고적색도 은하 조사 자료를 통해 MOG가 예측하는 물질 파워 스펙트럼의 진동이 ΛCDM와 구별될 수 있는지 테스트하기 위해.

제안 방법

• 질량이 있고 중성인 벡터 장 φμ를 공변 STVG 작용식에 도입하며, 페온 질량을 결정하는 스칼라 장 μ(x)를 포함한다.
• 페온 에너지 밀도 ρϕ가 탈결합 이전에 지배적으로 작용하는 수정된 프리드만 방정식을 유도하며, 이는 압력이 없는 불안정성 성장을 가능하게 한다.
• MOG에서 증가된 중력 상수 G = GN(1+α)를 사용하여 구조 성장을 강화하고, ΛCDM의 효과적 밀도 대비를 일치시킨다.
• 적색편이 스케일링을 전이 함수에 적용하여 (GNρ)ΛCDM ≈ (GN(1+α)ρϕ)MOG를 통해 CMB 스펙트럼을 일치시킨다.
• 광자 결합을 고려한 표준 제인 방정식을 사용하여 바리온 역학을 모델링하고, CMB에서 음향 진동을 생성한다.
• 윈도우 함수를 MOG의 물질 파워 스펙트럼에 적용하여 예측을 매끄럽게 하고, 빛나는 빨간색 은하 조사 데이터와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MOG는 비바리온 어두운 물질을 도입하지 않고, 수렴에서 은하 형성까지의 대규모 구조 성장을 설명할 수 있는가?
• RQ2 오직 바리온과 수정 중력만을 사용할 때, MOG 모델은 ΛCDM만큼 정확하게 CMB의 각도 스펙트럼을 재현할 수 있는가?
• RQ3 증가된 G와 페온이 지배하는 초기 우주를 고려한 MOG의 물질 파워 스펙트럼은 현재의 은하 적색편이 조사 자료와 일치하는가?
• RQ4 미래의 고적색도 은하 조사 자료에서 MOG가 예측하는 물질 파워 스펙트럼의 진동이 ΛCDM와 구별될 수 있는가?
• RQ5 초경량의 페온 입자(mϕ ≈ 2.6×10−28 eV)는 초기 우주에서의 구조 성장과 후기 시기의 은하 운동 역학에서 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 초기 우주에서 질량이 큰 페온 입자(mϕ ≫ 10−28 eV)는 압력이 없는 성분으로서, 복사-물질 평형에서 탈결합까지의 밀도 불안정성 성장을 제인-유사 메커니즘으로 빠르게 가능하게 한다.
• 적색편이 스케일링을 통해 (GNρ)ΛCDM ≈ (GN(1+α)ρϕ)MOG를 적용할 경우, MOG의 CMB 각도 스펙트럼은 플랑크 2013년 데이터와 일치한다.
• 윈도우 함수를 적용한 후 MOG의 물질 파워 스펙트럼은 빛나는 빨간색 은하 조사 자료와 ΛCDM 예측만큼 잘 맞춘다.
• 페온 질량은 초기 우주에서는 무거웠으나 오늘날에는 초경량으로 변모하여(mϕ = 2.6×10−28 eV) 후기 시기의 은하 회전 곡선과 일치한다.
• 이 모델은 향후 고적색도 은하 샘플과 좁은 윈도우 함수를 갖는 조사에서 확인 가능할 정도로, 물질 파워 스펙트럼에서 탐지 가능한 바리온 음향 진동을 예측한다.
• MOG는 단일의 상대론적이고 공변적인 프레임워크 내에서 태양계 시험, 은하 회전 곡선, 군집 역학, 대규모 구조 형성 문제를 성공적으로 통합한다.