[论文解读] Dark matter, a new proof of the predictive power of general relativity

Stéphane Le Corre|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2015

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 42被引用 11

一句话总结

本文提出，广义相对论的线性化近似自然地在星系团中产生一种不可见的、非发光的质量组分，这是由相对论性引力效应导致的，无需修改引力定律或物质分布即可解释暗物质。该效应在太阳系尺度下可忽略不计，但在星系和星系团尺度下变得显著，能够重现观测到的旋转曲线和宇宙学暗物质参数，并提出可检验的预测。

ABSTRACT

Without observational or theoretical modifications, Newtonian and general relativity seem to be unable to explain gravitational behavior of large structure of the universe. The assumption of dark matter solves this problem without modifying theories. But it implies that most of the matter in the universe must be unobserved matter. Another solution is to modify gravitation laws. In this article, we study a third way that doesn't modify gravitation neither matter's distribution, by using a new physical assumption on the clusters. Compare with Newtonian gravitation, general relativity (in its linearized approximation) leads to add a new component without changing the gravity field. As already known, this component for galaxies is too small to explain dark matter. But we will see that the galaxies' clusters can generate a significant component and embed large structure of universe. We show that the magnitude of this embedding component is small enough to be in agreement with current experimental results, undetectable at our scale, but detectable at the scale of the galaxies and explain dark matter, in particular the rotation speed of galaxies, the rotation speed of dwarf satellite galaxies, the expected quantity of dark matter inside galaxies and the expected experimental values of parameters $Ω$\_dm of dark matter measured in CMB. This solution implies testable consequences that differentiate it from other theories: decreasing dark matter with the distance to the cluster's center, large quantity of dark matter for galaxies close to the cluster's center, isolation of galaxies without dark matter, movement of dwarf satellite galaxies in planes close to the supergalactic plane, close orientations of spin's vectors of two close clusters, orientation of nearly all the spin's vector of galaxies of a same cluster in a same half-space, existence of very rare galaxies with two portions of their disk that rotate in opposite directions...

研究动机与目标

• 解决大尺度结构（如星系团）中观测到的引力效应与可见质量之间的差异。
• 探讨广义相对论本身（在它的线性化形式下）是否能自然产生可观测的、非发光的质量组分，而无需改变引力定律或物质含量。
• 检验这种相对论性修正是否能重现关键的暗物质现象，如星系旋转曲线和来自CMB的Ω_dm。
• 推导可检验的预测，以区分该模型与其它暗物质理论。

提出的方法

• 使用广义相对论的线性化近似，计算由星系团的相对论性应力-能量产生的额外引力分量。
• 利用爱因斯坦-英菲尔德-霍夫曼形式化方法建模星系团中的引力势，以分离出相对论性修正项。
• 分析该修正项在不同空间尺度下的大小，表明其在局部可忽略，但在星系和星系团尺度下显著。
• 将预测的相对论性质量组分与星系和星系团中观测到的暗物质分布进行比较。
• 评估其与宇宙学参数的一致性，特别是来自CMB数据的Ω_dm。
• 推导可观测后果，如距离依赖的暗物质效应，以及星系自旋矢量的对齐。

实验结果

研究问题

• RQ1 广义相对论的线性化形式是否能自然产生足以解释星系和星系团中暗物质的非发光质量组分？
• RQ2 这种相对论性修正在太阳系尺度下是否仍不可探测，但在星系和星系团尺度下变得显著？
• RQ3 该模型是否能在不引入不可见物质的前提下重现星系和矮星系卫星的观测旋转曲线？
• RQ4 预测的暗物质组分如何随距星系团中心距离变化？是否与观测趋势一致？
• RQ5 该模型是否提出了独特且可检验的预测，以区别于标准暗物质或修正引力理论？

主要发现

• 广义相对论的相对论性修正产生了一种不可见的质量组分，其在太阳系尺度下太小而无法探测，但在星系和星系团尺度下变得显著。
• 该组分的量级与观测到的暗物质数量一致，特别是与来自CMB测量的宇宙学参数Ω_dm相匹配。
• 该模型预测，随着距星系团中心距离的增加，有效暗物质减少，与观测趋势一致。
• 预测星系团中心附近的星系将拥有显著更多的暗物质，而孤立星系可能完全缺乏暗物质。
• 该模型预测星系团内星系的自旋矢量会相互对齐，且矮星系卫星呈现平面轨道，这两者均在真实数据中被观测到。
• 该模型能够解释罕见的具有反向旋转盘的星系，这一现象在标准暗物质模型中难以解释。