[论文解读] Gravitational effects of the faraway matter on the rotation curves of spiral galaxies

A. Carati|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2011

Scientific Research and Discoveries参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文提出，遥远物质的引力效应——考虑延迟势和空间相关性——可解释螺旋星系的平坦旋转曲线，而无需引入暗物质。通过建模来自宇宙大尺度结构的长程、非关联引力作用，作者以合理的光度-质量比拟合了四颗星系（NGC 3198、NGC 2403、UGC 2885、NGC 4725）的观测旋转曲线，表明来自遥远物质的净力约为每单位质量 0.2cH₀，且在星系尺度上占主导地位。

ABSTRACT

It was recently shown that in cosmology the gravitational action of faraway matter has quite relevant effects, if retardation of the forces and discreteness of matter (with its spatial correlation) are taken into account. Indeed, far matter was found to exert, on a test particle, a force per unit mass of the order of 0.2 cH0 . It is shown here that such a force can account for the observed rotational velocity curves in spiral galaxies, if the force is assumed to be decorrelated beyond a sufficiently large distance, of the order of 1 kpc. In particular we fit the rotation curves of the galaxies NGC 3198, NGC 2403, UGC 2885 and NGC 4725 without any need of introducing dark matter at all. Two cases of galaxies presenting faster than keplerian decay are also considered.

研究动机与目标

• 探究遥远物质的引力作用（考虑延迟和空间相关性）是否能解释螺旋星系观测到的平坦旋转曲线。
• 挑战标准假设中认为遥远星系在星系动力学中可被忽略的观点，尤其是考虑到其非均匀、类似分形的分布。
• 证明来自遥远物质的长程、非关联引力作用可重现观测到的旋转曲线，而无需引入暗物质。
• 提供一个现象学模型，仅使用标准广义相对论和观测到的宇宙学参数，解释星系中异常的速度分布。

提出的方法

• 将宇宙建模为离散点状星系的集合，其速度遵循哈勃定律，假设哈勃常数 H₀ 为时间不变量。
• 使用线性化爱因斯坦场方程，能量-动量张量通过遥远星系运动的微扰项导出，将度规视为闵可夫斯基空间的小扰动。
• 应用维纳-辛钦定理，将引力场的空间相关性与导数的相关性关联，假设存在一个指数衰减长度尺度 l。
• 引入约 1 kpc 的去相关长度，超过该尺度后，遥远物质的引力场变得不相关，从而产生净长程力。
• 通过遥远星系空间分布的统计平均，计算出每单位质量的有效引力加速度为 0.2cH₀。
• 将所得力律拟合至四颗螺旋星系的观测旋转曲线，通过调整光度-质量比以匹配数据，而无需引入暗物质。

实验结果

研究问题

• RQ1 考虑延迟和空间相关性后，遥远物质的引力影响是否能解释螺旋星系的平坦旋转曲线而无需引入暗物质？
• RQ2 遥远物质对星系中测试粒子施加的净引力加速度的大小和空间尺度为何？
• RQ3 假设在约 1 kpc 以外发生去相关，对有效引力势和旋转曲线形状有何影响？
• RQ4 该模型能否仅使用标准引力理论和观测到的宇宙学参数，重现具有不同质量和尺寸的星系旋转曲线？
• RQ5 为何该效应在太阳系中可忽略，而在星系和星系团中却占主导地位？

主要发现

• 遥远物质的引力作用对测试粒子施加的净加速度约为每单位质量 0.2cH₀，该效应源于延迟和空间相关性。
• 该力在星系尺度（~kpc）上变得显著，并主导于局部引力作用，从而解释了平坦旋转曲线。
• 该模型成功拟合了四颗螺旋星系（NGC 3198、NGC 2403、UGC 2885 和 NGC 4725）的旋转曲线，而无需引入暗物质。
• 由拟合得到的光度-质量比具有物理合理性，表明与观测到的恒星质量一致。
• 该模型可解释速度曲线衰减快于牛顿预期的星系，表明长程力可解释对牛顿预期的偏离。
• 约 1 kpc 的去相关长度至关重要：在此尺度以下，力被抑制；在此尺度以上，力变得相干并占主导地位。