[论文解读] Confrontation of MOND Predictions with WMAP First Year Data

Stacy McGaugh|Dec 21, 2003

Cosmology and Gravitation Theories被引用 27

一句话总结

该论文基于修正牛顿动力学（MOND）检验无冷暗物质（no-CDM）模型与威尔金森微波背景辐射探测器（WMAP）第一年数据的符合度，发现一峰与二峰振幅比（A₁:₂ = 2.34 ± 0.09）与MOND预测的2.4高度一致。该模型还能解释早期再电离产生的高极化信号，并暗示存在一个质量约为1 eV的中微子（mₙ ≈ 1 eV），但当前数据中第三峰振幅仍与MOND预测不一致。

ABSTRACT

I present a model devoid of non-baryonic cold dark matter (CDM) which provides an acceptable fit to the WMAP data for the power spectrum of temperature fluctuations in the cosmic background radiation (CBR). An a priori prediction of such no-CDM models was a first-to-second peak amplitude ratio A1:2 = 2.4. WMAP measures A1:2 = 2.34 +/- 0.09. The baryon content is the dominant factor in fixing this ratio; no-CDM models which are consistent with the WMAP data are also consistent with constraints on the baryon density from the primordial abundances of 2H, 4He, and 7Li. However, in order to match the modest width of the acoustic peaks observed by WMAP, a substantial neutrino mass is implied: m(nu) ~ 1 eV. Even with such a heavy neutrino, structure is expected to form rapidly under the influence of MOND. Consequently, the epoch of reionization should occur earlier than is nominally expected in LCDM. This prediction is realized in the polarization signal measured by WMAP. An outstanding test is in the amplitude of the third acoustic peak. Experiments which probe high-L appear to favor a third peak which is larger than predicted by the no-CDM model.

研究动机与目标

• 检验基于MOND的无CDM模型是否能重现WMAP第一年宇宙微波背景（CMB）功率谱。
• 评估MOND的预测（尤其是第一至第二峰振幅比与早期再电离）是否与观测数据一致。
• 确定该模型是否与重子密度的原初核合成（BBN）约束保持一致。
• 评估该模型所要求的重质量中微子（mₙ ≈ 1 eV）对区分MOND与ΛCDM模型的启示。
• 识别关键的观测检验，特别是第三声学峰，可能证伪无CDM MOND模型。

提出的方法

• 假设MOND的加速度标度a₀在时间上恒定，从而构建一个无需非重子暗物质的宇宙学模型。
• 将原初核合成（BBN）得到的重子密度作为固定输入，用于预测CMB峰振幅比。
• 采用简化的假设来计算MOND下的CMB功率谱，重点关注前三个声学峰。
• 将预测的峰比与极化信号与WMAP第一年数据进行比较。
• 通过三个参数（Ω_Λ = 0.92，f_ν = 0.65，n_t = 0.04）拟合模型以解释大尺度功率过剩。
• 评估该模型与ISW效应的一致性，以及为匹配峰宽所需重中微子（mₙ ≈ 1 eV）的必要性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于MOND的无CDM模型能否准确重现WMAP测量的一峰与二峰振幅比？
• RQ2 WMAP观测到的高CMB极化信号是否支持MOND对早期再电离（z ≳ 15）的预测？
• RQ3 所需中微子质量（mₙ ≈ 1 eV）是否与其它宇宙学约束及粒子物理限制一致？
• RQ4 高ℓ数据中观测到的第三声学峰振幅是否支持或与无CDM MOND模型相矛盾？
• RQ5 低ℓ（ℓ < 100）区域的大尺度功率过剩是否可由MOND中增强的ISW效应解释？

主要发现

• WMAP测得的一峰与二峰振幅比A₁:₂ = 2.34 ± 0.09与MOND预测的2.4高度一致，且无自由参数。
• WMAP测得的高CMB极化信号与MOND对早期再电离（z ≳ 15）的预测一致，归因于结构快速形成。
• 该模型要求存在一个质量约为1 eV的中微子（mₙ ≈ 1 eV）以匹配声学峰的观测宽度，若该值被证实，将否定ΛCDM模型。
• 拟合中出现的表观张量分量（n_t = 0.04）被解释为用于补偿增强ISW效应的拟合参数，而非真实的引力波信号。
• 第三声学峰振幅与无CDM MOND模型不一致，因高ℓ数据表明A₂:₃ > 1.5，与模型预测的A₂:₃ ≲ 1相矛盾。
• 该模型与BBN对重子密度的约束保持一致，因所需ω_b与²H、⁴He和⁷Li的原初丰度观测值相符。