[論文レビュー] Cosmological redshift and nonlinear electrodynamics propagation of photons from distant sources

Herman J. Mosquera Cuesta, Salim, Jose M.+1 more|ArXiv.org|Oct 26, 2007

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、非線形電磁力学（NLED）が弱い銀河間磁場と光子を結合させることで、宇宙論的赤方偏移を修正する可能性を提案している。その結果、有効赤方偏移は $1+\tilde{z} = (1+z)\Delta$ と表され、ここで $\Delta = (1+\Phi_e)/(1+\Phi_o)$ であり、$\Phi \propto B^2 L_{FF}/L_F$ である。この補正項は、標準のフレリーマン予測を超えて赤方偏移を増幅させ、ダークエネルギーを導入せずに観測される遅い時刻の加速を説明する可能性を秘めている一方で、真の光源位置は保持される。

ABSTRACT

By-now photons are the unique universal messengers. Cosmological sources like far-away galaxies or quasars are well-known light-emitters. Here we demonstrate that the nonlinear electrodynamics (NLED) description of photon propagation through the weak background intergalactic magnetic fields modifies in a fundamental way the cosmological redshift that a direct computation within a specific cosmological model can abscribe to a distant source. Independently of the class of NLED Lagrangian, the effective redshift turns out to be $1 + ilde{z} = (1 + z) Δ$, where $Δ\equiv (1 + Φ_e)/(1 + Φ_o)$, with $Φ\equiv {8}/{3} ({L_{FF}}/{L_F}) B^2$, being $L_F = {dL}/{dF}$, $L_{FF} = {d^2L}/{dF^2}$, the field $F\equiv F_{αβ} F^{αβ}$, and $B$ the magnetic field strength. Thus the effective redshift is always much higher then the standard redshift, but recovers such limit when the NLED correction $Δ(Φ_e, Φ_o) \longrightarrow 1$. This result may provide a physical foundation for the current observation-inspired interpretation that the universe undergoes an accelerate expansion. However, under the situation analyzed here, for any NLED the actual (spatial) position of the light-emitting far-away source remains untouched.

研究の動機と目的

• 非線形電磁力学（NLED）が弱い銀河間磁場と光子の相互作用によって、遠方天体からの光子の宇宙論的赤方偏移をどのように変化させるかを調査すること。
• NLED効果がダークエネルギーを導入せずに、Ia型超新星の明るさの低下を説明できるかどうかを評価すること。
• 具体的なラグランジアン形式に依存しない一般式として、NLED理論における有効赤方偏移を導出すること。
• NLEDがハッブル図解析および宇宙加速の解釈に与える影響を評価すること。
• NLED補正が宿主銀河の吸収線からの赤方偏移測定値の不一致を説明できるかどうかを検討すること。

提案手法

• 本研究では、弱い磁場中での光子伝播をモデル化するため、特定のNLEDラグランジアン $L(F) = F + \gamma/F$ を用いる。ここで $F = F_{\mu\nu}F^{\mu\nu}$ である。
• 背景磁場の存在下での有効屈折率および赤方偏移補正を計算するために、場の平均化手順を用いる。
• 有効赤方偏移は $1+\tilde{z} = (1+z)\Delta$ と表され、ここで $\Delta = (1+\Phi_e)/(1+\Phi_o)$ であり、$\Phi \propto B^2 L_{FF}/L_F$ である。
• 等方性を仮定し、NLED作用を含むアインシュタイン場方程式を用いて宇宙論的進化をモデル化する。
• 数値的に $L(F) = F + 1/F$ の場合をテストし、$B^4/\gamma$ に依存する赤方偏移の増幅が得られた。
• CMBおよびパイオニア異常からの観測的制約を用いて、パrameter $\gamma$ の上限を求める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形電磁力学（NLED）は、弱い銀河間磁場との相互作用によって、標準的な宇宙論的赤方偏移を変化させるか？
• RQ2 NLED効果は、ダークエネルギーを導入せずに、観測される宇宙の遅い時刻の加速を模倣または説明できるか？
• RQ3 NLED補正の存在下で、有効赤方偏移 $\tilde{z}$ は標準赤方偏移 $z$ からどの程度ずれるか？
• RQ4 赤方偏移補正係数 $\Delta$ は、磁場強度およびNLEDパrameter $\gamma$ にどのように依存するか？
• RQ5 NLED効果が、超新星宿主銀河からの吸収線による赤方偏移測定値に系統的バイアスをもたらしている可能性はあるか？

主な発見

• 有効赤方偏移は $1+\tilde{z} = (1+z)\Delta$ と修正され、ここで $\Delta = (1+\Phi_e)/(1+\Phi_o)$ であり、$\Phi \propto B^2 L_{FF}/L_F$ である。これは、標準赤方偏移から根本的に逸脱していることを示している。
• $L(F) = F + 1/F$ モデルでは、$B^4 \lesssim \gamma$ のとき赤方偏移の増幅が顕著になり、$B^4 \to \gamma$ に近づくと発散するが、$\gamma$ の不確実性のため物理的に現実的でない可能性がある。
• 標準赤方偏移は $B^4 \gg \gamma$ の極限で回復され、$\Delta \to 1$ となる。これは、弱場領域において標準宇宙論と整合していることを確認する。
• NLED補正は、吸収線からの赤方偏移推定値に内在的に組み込まれており、現在のハッブル図はこの効果を考慮していないにもかかわらず、すでにその影響を含んでいる可能性がある。
• このモデルは、ダークエネルギーを必要とせず、Ia型超新星データで観測される見かけの宇宙加速を説明する物理的メカニズムを提供する。
• 将来的な超新星およびガンマ爆発後光の相関する吸収線からの赤方偏移の比較観測によって、NLEDの予測をテストできる。