[논문 리뷰] The acceleration relation in galaxies and scale invariant dynamics: another challenge for dark matter

A. Maeder|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 12.

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한 줄 요약

이 논문은 은하에서 관측된 반경 방향 가속도 관계(RAR)가 이전에는 암흑 물질 덕분으로 여겨졌지만, 진공의 척도 불변성에 기인한 추가 가속도 항이 약한 중력장에서 나타나는 척도 불변 역학에 의해 설명될 수 있음을 제안한다. 이 모델은 암흑 물질을 요구하지 않고도 관측된 RAR의 이심한 편차, 특히 난방형은하에서의 극단적인 질량 불일치(최대 400배)를 성공적으로 예측한다.

ABSTRACT

A relation between the centripetal acceleration g_obs in galaxies and the gravity due to the baryon distribution g_bar has been found by McGaugh (2016) and Lelli et al.(2017). It also summarizes properties such as the Tully-Fisher and Faber-Jackson relations. Below about g_bar= 10E-10 m s^(-2), the observed relation deviates from the 1:1 line, g_obs being much larger than g_bar. The acceleration relation is followed by late and early type galaxies, and also by the dwarf spheroidals where the deviations from the 1:1 line are the largest ones. These deviations are currently attributed to dark matter. We show that the scale invariant theory, with the assumption of the scale invariance of the empty space, correctly predicts the observed deviations in the acceleration relation. The large deviations (up to a factor 400) and the flattening of the acceleration relation observed for the dwarf spheroidal galaxies are also well described. The presence of dark matter is no longer necessary in the scale invariant context, which also accounts why dark matter usually appears to dominate in galactic regions with low baryonic gravities.

연구 동기 및 목표

• 척도 불변 역학이 은하에서 관측된 반경 방향 가속도 관계(RAR)를 설명할 수 있는지 조사한다.
• 난방형은하에서 관측된 극도로 큰 질량 불일치(최대 400배)가 암흑 물질을 도입하지 않고도 설명될 수 있는지 시험한다.
• 척도 불변 중력 모델의 예측을 표준 $\Lambda$CDM 모델과 수정 뉴턴 역학(MOND)과 비교한다.
• 수정 뉴턴 방정식의 누적 효과가 시간에 따라 변화하는 운동학적 경향, 예를 들어 은하수의 수직 속도 분산 증가를 설명할 수 있는지 평가한다.
• 척도 불변성이 암흑 에너지나 암흑 물질 없이도 은하 회전곡선과 천체역학적 가속도를 통합적으로 설명할 수 있는지 결정한다.

제안 방법

• 웨일 기하학과 디라크-카누토 작용 원리에 기반한 척도 불변 중력 프레임워크를 채택하여 일반 상대성 이론을 척도 불변성으로 확장한다.
• 낮은 중력, 낮은 밀도 영역에서 중요한 영향을 미치는 속도에 비례하는 추가 가속도 항을 포함한 수정 뉴턴 운동 방정식을 유도한다.
• 수정된 지오데식 방정식을 적용하여 관측된 가속도 $g_{\mathrm{obs}}$와 복합물질 중력 $g_{\mathrm{bar}}$ 사이의 반경 방향 가속도 관계(RAR)를 유도한다.
• 척도 불변 작용에서 유도된 에너지 관계를 사용하여 질량 불일치를 예측하고, 다양한 은하 유형의 관측된 RAR 데이터와 비교한다.
• 수정된 방정식을 시간에 따라 수치적으로 통합하여 누적 역학적 효과, 예를 들어 증가하는 속도 분산을 모델링한다.
• McGaugh 등(2016)과 Lelli 등(2017)의 관측된 RAR 데이터(저형, 고형, 난방형은하 포함)와 예측을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 척도 불변 역학이 암흑 물질을 도입하지 않고도 관측된 반경 방향 가속도 관계(RAR)를 재현할 수 있는가?
• RQ2 척도 불변 모델이 난방형은하에서 관측된 극단적인 질량 불일치(최대 400배)를 얼마나 잘 예측하는가?
• RQ3 수정 뉴턴 가속도 항의 누적 효과가 시간에 따라 증가하는 은하수의 수직 속도 분산을 설명할 수 있는가?
• RQ4 척도 불변 프레임워크가 암흑 물질을 도입하지 않고도 빛의 밀도 프로파일과 회전곡선의 특징 간의 밀접한 상관관계(렌조의 법칙)를 설명할 수 있는가?
• RQ5 척도 불변 모델은 $\Lambda$CDM와 MOND와 비교해 RAR 및 그 渐近 행동 예측에서 어떤 점에서 다를까?

주요 결과

• 척도 불변 이론은 저형, 고형, 난방형은하를 포함한 다양한 은하에서 관측된 RAR을 성공적으로 재현하며, 낮은 가속도에서의 평탄한 경향도 잘 반영한다.
• 모델은 $g_{\mathrm{obs}}$ 대 $g_{\mathrm{bar}}$ 관계에서 관측과 일치하는 1:1 선에서의 편차를 예측하며, 난방형은하에서는 질량 불일치가 최대 400배까지 발생한다.
• Lelli 등(2017)이 발견한 RAR의 渐近 극한은 척도 불변 모델에 의해 확인되어 낮은 가속도에서의 보편적 행동을 시사한다.
• 수정 뉴턴 방정식에 포함된 속도에 비례하는 추가 가속도 항은 누적 효과를 일으켜 시간에 따라 증가하는 은하수의 수직 속도 분산을 설명할 수 있다.
• 이론은 암흑 물질 과잉의 농도가 비밀 입자 때문이 아니라 본질적인 척도 불변 역학에 기인한 것으로 설명한다.
• 이론은 빛의 밀도 프로파일 특징과 회전곡선 특징 간의 밀접한 상관관계(렌조의 법칙)를 척도 불변 가속도 법칙의 자연스러운 결과로 설명한다.