[论文解读] Chameleon $f(R)$ gravity on the Virgo cluster scale

C. Corbett Moran, Romain Teyssier+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究基于Hu-Sawicki的卡门机制，对$f(R)$引力进行了迄今最高分辨率的N体聚焦模拟，表明在室女座星系群类星系团中，速度弥散函数和弱引力透镜剖面可区分$f(R)$模型与$\Lambda$CDM模型。主要结果包括：在低红移时，卫星星系群中可稳健探测到修改引力效应，尤其在F4和F5模型中表现显著，环境屏蔽效应在大半径区域及低分辨率子晕中最为明显。

ABSTRACT

Models of modified gravity offer promising alternatives to the concordance $Λ$CDM cosmology to explain the late-time acceleration of the universe. A popular such model is $f(R)$ gravity, in which the Ricci scalar in the Einstein-Hilbert action is replaced by a general function of it. We study the $f(R)$ model of Hu & Sawicki (2007), which recovers standard General Relativity in high density regimes, while reproducing the desired late-time acceleration at cosmological scales. We run a suite of high resolution zoom simulations using the ECOSMOG code to examine the effect of $f(R)$ gravity on the properties of a halo that is analogous to the Virgo cluster. We show that the velocity dispersion profiles can potentially discriminate between $f(R)$ models and $Λ$CDM, and provide complementary analysis of lensing signal profiles to explore the possibility to further distinguish the different $f(R)$ models. Our results confirm the techniques explored by Cabre et al. (2012) to quantify the effect of environment in the behavior of $f(R)$ gravity, and we extend them to study halo satellites at various redshifts. We find that the modified gravity effects in our models are most observable at low redshifts, and that effects are generally stronger for satellites far from the center of the main halo. We show that the screening properties of halo satellites trace very well that of dark matter particles, which means that low-resolution simulations in which subhalos are not very well resolved can in principle be used to study satellite properties. We discuss observables, particularly for halo satellites, that can potentially be used to constrain the observational viability of $f(R)$ gravity.

研究动机与目标

• 通过高分辨率模拟研究卡门机制在星系团尺度上$f(R)$引力的可行性。
• 检验诸如速度弥散函数和弱引力透镜信号等可观测特性是否能区分$f(R)$模型与$\Lambda$CDM模型。
• 研究在不同红移下，屏蔽机制对星系晕卫星的环境依赖性。
• 评估$|\phi_{\rm{ext}}|$和$D_{11}$等代理变量在预测子晕屏蔽状态方面的可靠性。
• 确定弱$f(R)$模型（如F6）在何种条件下仍可被观测手段与$\Lambda$CDM区分开来。

提出的方法

• 使用ECOSMOG代码执行高分辨率N体聚焦模拟，以模拟Hu-Sawicki $f(R)$引力模型下的室女座星系群类星系团。
• 追踪多个红移和$f(R)$模型参数（F4、F5、F6）下表面密度与视线速度弥散函数剖面的演化。
• 计算弱引力透镜信号剖面，以比较$f(R)$引力预测与$\Lambda$CDM模型的差异，并评估其可观测可区分性。
• 定义并分析屏蔽参数$\Delta_M$以及环境代理变量$|\phi_{\rm{ext}}|$和$D_{11}$，以量化对卫星星系的第五种力效应。
• 利用卡门机制建模标量场屏蔽如何在高密度区域（如星系团核心）抑制第五种力。
• 通过比较星系晕势阱深度与各红移下背景$f_R$值，分析从屏蔽到非屏蔽状态的过渡。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室女座星系群类星系团中，速度弥散函数剖面能否稳健地区分$f(R)$引力模型与$\Lambda$CDM模型？
• RQ2 在$f(R)$引力中，弱引力透镜信号剖面与$\Lambda$CDM有何不同？能否用于约束模型参数？
• RQ3 卫星星系的屏蔽效应受环境影响如何？其随红移如何变化？
• RQ4 可观测量$|\phi_{\rm{ext}}|$能否可靠预测$f(R)$引力中卫星星系的屏蔽状态？
• RQ5 弱$f(R)$模型（如F6）在多大程度上仍可被观测手段与$\Lambda$CDM区分开来，特别是在低红移时？

主要发现

• F4和F5模型的速度弥散函数剖面与$\Lambda$CDM及F6模型有显著区别，尤其在高红移时更为明显。
• 弱引力透镜信号剖面提供了互补的区分能力，使F4与F5模型在中等红移下可被区分开。
• 在每个红移下均存在一个特征半径，超过该半径时卡门屏蔽机制失效，且该半径在所有模型中随时间减小。
• 所有模型和红移下，星系晕外部的粒子通常均未被屏蔽，表明在低密度环境中第五种力效应强烈。
• 在弱$f(R)$模型（如F6）中，主星系大半径处的卫星星系表现出增强的第五种力效应，且效应随向外区域增强。
• 可观测量$|\phi_{\rm{ext}}|$可作为卫星星系屏蔽状态的可靠代理，而$D_{11}$邻近准则对子晕的预测效果较差。