[論文レビュー] Cosmological consequences of Modified Gravity (MOG)

Viktor T. Toth|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2010

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 10被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、可変重力定数と反発性の質量を持つベクトル場を導入することで、ΛCDMモデルにおけるダークマターとダークエネルギーを置き換えるスカラータンスールベクトル理論、修正重力（MOG）を提案する。MOGは、ダークマターを含まない状況でもCMBの音響スペクトル、物質パワー スペクトル、およびIa型超新星の観測データを再現でき、将来の調査で検出可能な強いバリオン音響振動を予測する。

ABSTRACT

As an alternative to the LCDM concordance model, Scalar-Tensor-Vector Modified Gravity (MOG) theory reproduces key cosmological observations without postulating the presence of an exotic dark matter component. MOG is a field theory based on an action principle, with a variable gravitational constant and a repulsive vector field with variable range. MOG yields a phenomenological acceleration law that includes strong tensorial gravity partially canceled by a repulsive massive vector force. This acceleration law can be used to model the CMB acoustic spectrum and the matter power spectrum yielding good agreement with observation. A key prediction of MOG is the presence of strong baryonic oscillations, which will be detectable by future surveys. MOG is also consistent with Type Ia supernova data. We also describe on-going research of the coupling between MOG and continuous matter, consistent with the weak equivalence principle and solar system observations.

研究の動機と目的

• ダークマターおよびダークエネルギーを導入せず、主要な宇宙論的観測を再現する修正重力理論を開発すること。
• 特に、96%の見えない物質を必要とするΛCDMモデルの限界、およびコールドダークマターが銀河の回転曲線を説明できないという問題を解決すること。
• 動的に結合されたスカラー場とベクトル荷を介して、太陽系の実験および弱い等価原理と整合性を保つこと。
• MOGの場の運動方程式から、CMBの音響スペクトルおよび物質パワー スペクトルといった宇宙論的予測を導出すること。
• 完璧な流体などの連続的物質へのMOGの結合を検討し、宇宙論的解の理論的基盤を強化すること。

提案手法

• スカラー（G）および質量を持つベクトル（ϕμ）場を含むテンソル、スカラー、ベクトル場のラグランジュ密度理論としてMOGを定式化し、各場の自己相互作用ポテンシャルを導入する。
• 可変重力定数Gと質量μおよび結合定数ωを持つ反発性ベクトル場を導入し、現象論的加速法則を生成する。
• MOG場の運動方程式の球対称静的真空解を用いて、孤立系における重力的力学をモデル化する。
• MOGの加速法則を応用し、線形領域におけるCMBの音響パワー スペクトルおよび物質パワー スペクトルを導出する。
• 自己相互作用ポテンシャルVGが非ゼロであるMOG宇宙論におけるフリードマン方程式を解き、宇宙の膨張およびバウンスをモデル化する。
• MOGの予測をIa型超新星の等級距離関係データにフィットさせ、観測された宇宙の加速と整合性があるかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MOGは、コールドダークマターを必要とせずに、観測されたCMBの音響スペクトルを再現できるか？
• RQ2 MOGは、大規模構造観測と整合する物質パワー スペクトルを予測できるか？
• RQ3 MOGは、ダークエネルギーを導入せず、Ia型超新星の等級距離関係を説明できるか？
• RQ4 MOGが連続的物質（例：完璧流体）に結合する場合、宇宙論的進化および弱い等価原理との整合性にどのような影響を与えるか？
• RQ5 MOGは、特にホライズン問題および平坦性問題に関して、初期宇宙宇宙論にどのような意味を持つのか？

主な発見

• MOGは、コールドダークマター成分を必要とせず、観測データと良好に一致するCMBの音響スペクトルおよび物質パワー スペクトルを再現できた。
• 理論は、物質パワー スペクトルにおける強いバリオン音響振動を予測しており、将来的な大規模構造調査で検出可能である可能性がある。
• 自己相互作用ポテンシャルVGが小さな正の値であるMOG宇宙論では、137億年以上の宇宙年齢が得られ、Ia型超新星データと整合的である。
• VGが負の値であると、繰り返し古典的バウンスを繰り返す周期的宇宙が得られ、現在の宇宙論的パラメータがサイクル間で再現可能である。
• MOGの加速法則は、銀河団から宇宙論的距離にまで15桁のスケールにわたり観測と整合的である。
• MOGはダークエネルギーを必要とせず、テンソル重力と相殺する反発性のベクトル力によって、宇宙の加速を現象論的に説明する。