[论文解读] DHOST gravity in Ultra-diffuse galaxies -- Part I: the case of NGC1052-DF2

Enrico Laudato, Vincenzo Salzano|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2022

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 114被引用 7

一句话总结

本研究探讨了在不引入暗物质的情况下，退化高阶标量张量（DHOST）引力是否能够解释NGC1052-DF2中低速度弥散的问题。利用十个球状星团作为示踪体，研究在两种情景下检验了DHOST引力：仅作为暗能量，或同时取代暗能量和暗物质。结果表明，尽管广义相对论仅考虑恒星质量在统计上仍更占优势，但在完全取代暗物质的情景下，DHOST模型的表现与之相当，表明这类星系并未排除修正引力理论的可能性。

ABSTRACT

The Ultra-Diffuse galaxy NGC1052-DF2 has recently been under intense scrutiny because from its kinematics it has revealed to be "extremely deficient" in dark matter, if not lacking it at all. This claim has raised many questions and solutions regarding the relationship between baryons and dark matter in Ultra-Diffuse galaxies. But there seems to be a quite unanimous belief that, if such very low dark matter content is confirmed and extended to other similar galactic objects, it might be a deathblow to theories which modify and extend General Relativity. Deficient dark matter galaxies thus represent a fertile ground to test both standard dark matter and modified gravity theories. In this work, we consider a specific Degenerate Higher-Order Scalar Tensor model to study the velocity dispersion of ten compact globular clusters-like objects associated with NGC1052-DF2 to infer the dynamical mass of the galaxy. Due to the partial breaking of the corresponding screening mechanism, this model can possibly have large cosmological scale effects influencing the dynamics of smaller structures like galaxies. We consider two scenarios: one in which the model only describes dark energy; and one in which it additionally entirely substitutes dark matter. We find that the best model to explain data is the one in which we have General Relativity and only stellar contribution. But while in former scenario General Relativity is still statistically (Bayesian) favoured, in the latter one the alternative model is as much successful and effective as General Relativity in matching observations. Thus, we can conclude that even objects like NGC1052-DF2 are not in contrast, and are not obstacles, to the study and the definition of a reliable alternative to General Relativity.

研究动机与目标

• 评估DHOST引力——一种具有部分屏蔽机制的修正引力理论——是否能在不引入暗物质的情况下解释NGC1052-DF2的低动力质量。
• 检验NGC1052-DF2中十个球状星团的观测速度弥散是否能通过DHOST引力在两种不同情景下得到解释：仅作为暗能量模型，或作为暗能量和暗物质的完全替代。
• 评估NGC1052-DF2中暗物质的明显缺失是否对引力的扩展理论构成根本性挑战。
• 确定在解释这一超弥散星系的动力学时，贝叶斯模型比较是否更倾向于广义相对论或DHOST模型。

提出的方法

• 使用NGC1052-DF2中十个类球状星团的恒星速度弥散数据作为动力学示踪体，以推断总动力质量。
• 应用一种特定的DHOST引力模型，该模型允许部分破坏Vainshtein屏蔽机制，从而使宇宙尺度的修正能够影响星系尺度的动力学。
• 比较两种理论情景：(1) DHOST仅作为暗能量的替代，保留标准暗物质；(2) DHOST作为暗能量和暗物质的完全替代。
• 采用贝叶斯模型比较（通过贝叶斯因子）评估广义相对论与DHOST模型之间的统计偏好。
• 结合先前研究中来自X射线和引力透镜数据的约束，以指导先验分布并确保模型一致性。
• 在球对称条件下使用Jeans方程，将观测到的速度弥散与DHOST引力下的总质量分布相关联，其中引力势能受到修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 DHOST引力是否能在不依赖暗物质的情况下解释NGC1052-DF2中的低速度弥散？
• RQ2 DHOST模型在拟合NGC1052-DF2球状星团动力学方面是否与广义相对论表现相当？
• RQ3 NGC1052-DF2中暗物质的明显缺失是否与DHOST等修正引力理论不一致？
• RQ4 当暗物质被DHOST标量场完全取代时，DHOST引力相对于广义相对论的统计偏好如何？
• RQ5 DHOST引力中屏蔽机制的部分破坏如何影响其在低面亮度星系中的可行性？

主要发现

• 对观测速度弥散数据拟合得最好的模型是仅包含恒星质量贡献的广义相对论。
• 在DHOST引力仅作为暗能量替代的情景下，广义相对论在统计上仍更占优势，尽管DHOST模型表现出轻微的贝叶斯证据。
• 在DHOST引力完全取代暗能量和暗物质的情景下，DHOST模型在匹配观测数据方面与广义相对论表现相当。
• 在完全替代情景中，贝叶斯证据并未明确偏好广义相对论而非DHOST模型，表明数据与修正引力作为暗物质替代方案是一致的。
• 结果表明，NGC1052-DF2中暗物质含量较低并不排除DHOST引力或类似扩展引力理论的可能性。
• DHOST引力中屏蔽机制的部分破坏使宇宙尺度的修正能够影响星系动力学，使其成为无需引入暗物质即可解释低暗物质星系的可行候选理论。