[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出，非线性电动力学（NLED）通过光子与微弱的星系际磁场耦合，改变了宇宙学红移，导致有效红移 $1+\tilde{z} = (1+z)\Delta$，其中 $Δ = (1+\Phi_e)/(1+\Phi_o)$ 且 $Φ \propto B^2 L_{FF}/L_F$。该修正使红移超出标准弗里德曼预测，可能在无需暗能量的情况下解释表观的晚期加速，同时保持真实源位置不变。

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.

研究动机与目标

• 研究非线性电动力学（NLED）是否因与微弱星系际磁场的相互作用，改变来自遥远天体的光子的宇宙学红移。
• 评估NLED效应是否可在不引入暗能量的情况下解释Ia型超新星的观测变暗现象。
• 推导NLED理论中独立于特定拉格朗日量形式的一般有效红移表达式。
• 评估NLED对哈勃图分析及宇宙加速解释的影响。
• 确定NLED修正是否可解释宿主星系吸收线中红移测量的差异。

提出的方法

• 该研究采用特定的NLED拉格朗日量 $L(F) = F + \gamma/F$，其中 $F = F_{\mu\nu}F^{\mu\nu}$，以模拟弱磁场中光子的传播。
• 采用场平均程序，计算在背景磁场存在下有效折射率和红移修正。
• 有效红移推导为 $1+\tilde{z} = (1+z)\Delta$，其中 $Δ = (1+\Phi_e)/(1+\Phi_o)$，且 $Φ \propto B^2 L_{FF}/L_F$。
• 该分析假设各向同性，并使用爱因斯坦场方程与NLED作用量来模拟宇宙演化。
• 对 $L(F) = F + 1/F$ 情况进行了数值测试，显示红移增强依赖于 $B^4/\gamma$。
• 该方法考虑了宇宙微波背景辐射和先驱者异常的观测约束，以限制参数 $γ$。

实验结果

研究问题

• RQ1 非线性电动力学（NLED）是否因与微弱星系际磁场的相互作用，改变标准宇宙学红移？
• RQ2 NLED效应是否可模拟或解释无需引入暗能量的宇宙观测到的晚期加速？
• RQ3 在存在NLED修正的情况下，有效红移 $;$ 与标准红移 $z$ 的偏离程度如何？
• RQ4 红移修正因子 $Δ$ 对磁场强度和NLED参数 $γ$ 的依赖关系是什么？
• RQ5 NLED效应是否可能是Ia型超新星宿主星系吸收线中红移测量系统性偏差的原因？

主要发现

• 有效红移被修正为 $1+\tilde{z} = (1+z)\Delta$，其中 $Δ = (1+\Phi_e)/(1+\Phi_o)$，且 $Φ \propto B^2 L_{FF}/L_F$，显示出与标准红移的根本偏离。
• 对于 $L(F) = F + 1/F$ 模型，当 $B^4 \lesssim \gamma$ 时，红移增强变得显著，且在 $B^4 \to \gamma$ 时发散，尽管由于 $γ$ 的不确定性，这可能在物理上不可行。
• 在 $B^4 \gg \gamma$ 的极限下，标准红移被恢复，此时 $Δ \to 1$，确认了在弱场区域与标准宇宙学的一致性。
• NLED修正本质上已内置于吸收线红移估计中，意味着当前的哈勃图可能已包含此效应但未加以校正。
• 该模型提供了一种物理机制，可解释Ia型超新星数据中观测到的表观宇宙加速，而无需引入暗能量。
• 未来对超新星和伽马射电暴余晖中相关吸收线的红移进行观测，可通过比较事件间的红移来检验NLED预测。