[论文解读] Detailed Solar System dynamics as a probe of the Dark Matter hypothesis

X. Hernández|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2019

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文认为，太阳与假设存在的暗物质晕之间的引力相互作用应产生一个拖尾的动力摩擦尾迹，从而在太阳系内引起可测量的轨道扰动。然而，精确的无线电信标数据并未显示此类偏差——这排除了尾迹的存在，并强烈质疑以暗物质假说作为星系动力学解释的合理性。

ABSTRACT

Within the dark matter paradigm, explaining observed orbital dynamics at galactic level through the inclusion of a dominant dark halo, implies also the necessary appearance of dynamical friction effects. Satellite galaxies, globular clusters and even stars orbiting within these galactic halos, will perturb the equilibrium orbits of dark matter particles encountered, to produce a resulting trailing wake of slightly enhanced dark matter density associated with any perturber in the halo. The principal effect of this gravitational interaction between an orbiting body and the dark matter particles composing it, is the appearance of a frictional drag force slowly removing energy and angular momentum from the perturber. Whilst this effect might be relevant to help bring about the actual merger of the components of interacting forming galaxies, at smaller stellar scales, it becomes negligible. However, the trailing wake will still be present. In this letter I show that the corresponding dark matter wake associated to the Sun, will constitute a small but resonant perturbation on solar system dynamics which can be ruled out, as current laser and radio ranging measurements are now over an order of magnitude more precise than the amplitude of the orbital perturbations which said wake implies. The absence of any such detection implies the nonexistence of the dynamical friction trailing wake on the sun, which in turn strongly disfavours dark matter as an explanation for the observed gravitational anomalies at galactic scales.

研究动机与目标

• 通过考察暗物质假设对太阳系轨道的动力学后果，检验其可行性。
• 探究由于暗物质相互作用而伴随太阳拖尾的动力摩擦尾迹是否会产生可探测的轨道扰动。
• 利用高精度无线电信标数据，约束此类尾迹的存在，从而检验暗物质范式的一致性。
• 基于预期扰动未被探测到，推导本地暗物质密度的上限。
• 评估广义引力模型相较于产生动力摩擦尾迹的暗物质情景，在与太阳系观测的一致性方面是否更具优势。

提出的方法

• 将太阳在暗物质晕中的运动建模为通过动力摩擦产生拖尾尾迹的扰动源。
• 利用从引力势梯度推导出的准共振响应模型，计算尾迹引起的径向加速度扰动。
• 使用轨道动力学方程，将推导出的扰动振幅应用于行星轨道（火星和土星）。
• 将预测的扰动与最新INPOP17a星历表的残差进行比较，其精度分别为约3.6米（火星）和约31.6米（土星）。
• 通过统计显著性评估：若存在暗物质尾迹，观察到此类扰动的概率。
• 通过要求预测扰动落在观测置信区间内，推导本地暗物质密度的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于暗物质相互作用而伴随太阳拖尾的动力摩擦尾迹是否会在太阳系内产生可测量的轨道扰动？
• RQ2 这些扰动的预测振幅与当前无线电信标数据的观测残差相比如何？
• RQ3 基于此类扰动未被探测到，可推导出本地暗物质密度的何种上限？
• RQ4 未检测到扰动的统计显著性如何挑战暗物质范式与太阳系动力学一致性的假设？
• RQ5 与预测此类尾迹的暗物质模型相比，广义引力模型在多大程度上仍具有可行性？

主要发现

• 由于太阳暗物质尾迹引起的预期径向扰动振幅为：火星11.26米，土星252米。
• 这些预测扰动分别超过观测残差（火星3.6米，土星31.6米）3.13倍和7.85倍。
• 若存在暗物质尾迹，观察到此类扰动的概率分别为：火星0.17%，土星5.7×10⁻¹⁵。
• 未检测到结果意味着本地暗物质密度的上限低于：火星为首选值0.01 M☉ pc⁻³的3.13倍，土星为6.8倍。
• 结果与标准暗物质晕密度0.01 M☉ pc⁻³不一致，后者由星系旋转曲线紧密约束。
• 分析表明，广义引力模型比产生动力摩擦尾迹的暗物质模型更符合太阳系观测。