[論文レビュー] Solutions to the chained galaxy problem and the observation of receding blue-shifted objects

T. M. Davis, Charles H. Lineweaver+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2001

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、一般相対性理論において、初期に観測者からの固定された固有距離にあった銀河が、ハッブル・フローに合流する際に、宇宙論的モデルに応じて、観測者から遠ざかるか、近づくかのどちらかであることを示している。現在の宇宙論的モデル（コスモロジカル定数を含む）では、遠ざかるが、古くは冷たい暗黒物質（CDM）モデルでは、近づき、観測者を通り抜けて反対側に再び現れる。これは、宇宙の膨張に関する直感的な理解をくつがえし、遠ざかる銀河がブルーシフトを示し、近づく銀河がレッドシフトを示す可能性があることを示している。

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.

研究の動機と目的

• 一般相対性理論において、観測者からの固定された固有距離に最初に位置する銀河の力学的挙動を調査すること。
• 宇宙の加速度が支配する空間の膨張が、そのような銀河の運動に与える影響を明確にすること。
• 遠ざかる銀河がブルーシフトを示す、あるいは近づく銀河がレッドシフトを示すという、表面的には矛盾する現象を解明すること。
• その挙動が力や膨張による抵抗ではなく、時空幾何学的性質によるものであることを示すこと。
• 赤方偏移が常に遠ざかりを示すとは限らず、従来の解釈に疑問を呈すること。

提案手法

• フリードマン＝リーマン＝ロバートソン＝ウォーカー（FLRW）時空における測地線方程式を用いて銀河の運動をモデル化すること。
• 宇宙論的モデル2つ（現在のΛCDMモデルと古くは冷たい暗黒物質（CDM）モデル）のアインシュタイン方程式の厳密解を用いること。
• 銀河が固定された固有距離で静止状態からハッブル・フローに合流するにあたり、径方向速度および赤方偏移の変化を分析すること。
• 相対論的ドップラー式と宇宙のスケール因子を用いて赤方偏移の時間発展を計算すること。
• 2つのモデル間の結果を比較し、遠ざかりと接近、および観測者を通り抜ける挙動の対照的特徴を示すこと。
• スケール因子の時間発展により、固定された固有距離にあっても赤方偏移が非ゼロであることを示すこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる宇宙論的モデルにおいて、固定された固有距離に最初に位置する銀河が、ハッブル・フローに合流する際、どのように力学的に振る舞うか？
• RQ2 一般相対性理論において、なぜ遠ざかる銀河がブルーシフトを示すことができるのか、またなぜ近づく銀河がレッドシフトを示すことができるのか？
• RQ3 銀河がハッブル・フローに合流する過程で、観測者から遠ざかるか、近づくかを決定づける要因は何か？
• RQ4 観測された運動は、宇宙の膨張に伴う力や抵抗によるものか、それとも時空の幾何学的性質によるものか？
• RQ5 膨張する宇宙において、固定された固有距離に位置する物体の赤方偏移はどのように定義され、測定されるのか？

主な発見

• 現在のΛCDM宇宙論的モデルでは、初期に固定された固有距離にあった銀河は、ハッブル・フローに合流するにつれ、観測者から遠ざかる。
• 古くは冷たい暗黒物質（CDM）モデルでは、銀河は観測者に近づき、それを通り抜けて、空の反対側に再び現れる。
• 銀河の運動は、膨張の加速に起因するものであり、膨張に伴う力や抵抗とは無関係である。
• スケール因子の時間発展により、固定された固有距離にあっても非ゼロの赤方偏移が生じる。
• 空間の膨張と径方向速度の相互作用により、遠ざかる銀河でもブルーシフトを示し、近づく銀河でもレッドシフトを示すことがある。
• その挙動は一般相対性理論と完全に整合しており、力学的力ではなく、時空の幾何学的性質に起因する。