[论文解读] Dark energy and the mass of the Local Group

A. D. Chernin, P. Teerikorpi+4 more|ArXiv.org|Feb 23, 2009

Cosmology and Gravitation Theories被引用 9

一句话总结

本文提出了三种自洽的质量估计算法，用于本星系群，将暗能量作为宇宙学常数Λ纳入考量，考虑其排斥性（反引力）效应。通过改进Kahn-Woltjer模型、维里定理，并引入零引力法，作者得出一个稳健的质量范围：3.2–3.7×10¹² M☉，与经典方法相比，暗能量使最小质量估计值提高了三倍。

ABSTRACT

Dark energy must be taken into account to estimate more reliably the amount of dark matter and how it is distributed in the local universe. For systems several Mpc across like the Local Group, we introduce three self-consistent independent mass estimators. These account for the antigravity effect of dark energy treated as Einstein's cosmological constant Lambda. The first is a modified Kahn-Woltjer model which gives a value of the Local Group mass via the particular motions of the two largest members, the Milky Way and M31. Inclusion of dark energy in this model increases the minimum mass estimate by a factor of three compared to the "classical estimate". The increase is less but still significant for different ways of using the timing argument. The second estimator is a modified virial theorem which also demonstrates how dark energy can "hide" from detection a part of the gravitating mass of the system. The third is a new zero-gravity method which gives an upper limit to the group mass which we calculate with high precision HST observations. In combination, the estimators lead to a robust and rather narrow range for a group's mass, M. For the Local Group, 3.2 < M < 3.7 x 10^{12} M_sun. Our result agrees well with the Millennium Simulation based on the LambdaCDM cosmology.

研究动机与目标

• 解决因忽略暗能量反引力效应而导致的星系群暗物质质量系统性低估问题。
• 开发自洽的质量估计算法，将宇宙学常数Λ作为局域动力学中的排斥力进行建模。
• 利用高精度哈勃空间望远镜（HST）数据，将动力学质量估计与ΛCDM宇宙学模型相协调。
• 证明暗能量可有效‘隐藏’束缚系统中部分引力质量。
• 通过结合多种独立方法，为本星系群提供一个狭窄且稳健的质量范围。

提出的方法

• 将经典Kahn-Woltjer双体模型改进，纳入暗能量产生的排斥力，修改运动方程，引入与D成正比的Λ相关项。
• 引入有效引力密度ρ_eff = ρ + 3p，其中p < 0表示真空能量，表明在Λ存在时有效引力为负。
• 修改维里定理，纳入暗能量负压的贡献，表明其如何降低观测到的引力束缚强度。
• 提出一种新的零引力方法，基于在特定半径处净引力为零的条件，该条件由质量与暗能量压强的平衡推导得出。
• 利用高精度HST观测数据约束零引力面的位置，从而得出质量的上限。
• 通过三种独立方法的交叉验证，实现本星系群质量范围的一致性与狭窄性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Kahn-Woltjer模型中，将暗能量作为宇宙学常数Λ纳入后，对本星系群最小质量估计有何影响？
• RQ2 通过改进的维里定理与能量估计算法，暗能量在多大程度上‘掩蔽’了星系群中部分引力质量？
• RQ3 当结合观测数据时，新的零引力方法能否提供本星系群质量的精确上限？
• RQ4 三种独立估计算法——改进的Kahn-Woltjer法、改进的维里定理法与零引力法——如何收敛至一致的质量范围？
• RQ5 在动力学质量估计中纳入暗能量，能否解决观测动力学与ΛCDM宇宙学模拟之间的差异？

主要发现

• 在包含暗能量的情况下，改进的Kahn-Woltjer模型使最小质量估计值提高三倍，得出M > 3.2×10¹² M☉。
• 结合暗能量的时间参数法得出质量估计为M = 4.5×10¹² M☉，高于经典估计值4.0×10¹² M☉。
• 改进的维里定理表明，暗能量通过降低有效引力束缚，从而‘隐藏’了系统中部分质量。
• 基于HST数据的零引力法提供了精确的上限：M < 3.7×10¹² M☉。
• 三种估计算法的综合结果得出稳健且狭窄的质量范围：3.2 < M < 3.7×10¹² M☉。
• 该结果与ΛCDM宇宙学中类似系统的千年模拟预测高度一致。