[论文解读] Modified Newtonian Dynamics: A Review

Benoît Famaey, Stacy McGaugh|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2011

Cosmology and Gravitation Theories被引用 3

一句话总结

本文综述了修正牛顿动力学（MOND）作为暗物质的替代方案，提出通过单一的普遍力定律——米格罗姆定律（Milgrom's law），在低加速度条件下修改牛顿动力学，从而解释星系中的质量缺失问题。其主要贡献在于证明了MOND无需引入不可见物质即可成功预测广泛的天体物理学观测结果。

ABSTRACT

A wealth of astronomical data indicate the presence of mass discrepancies in the Universe. The motions observed in a variety of classes of extragalactic systems exceed what can be explained by the mass visible in stars and gas. Either (i) there is a vast amount of unseen mass in some novel form - dark matter - or (ii) the data indicate a breakdown of our understanding of dynamics on the relevant scales, or (iii) both. Here, we first review a few outstanding challenges for the dark matter interpretation of mass discrepancies in galaxies, purely based on observations and independently of any alternative theoretical framework. We then show that many of these puzzling observations are predicted by one single relation - Milgrom's law - involving an acceleration constant (or a characteristic surface density) of the order of the square-root of the cosmological constant in natural units. This relation can at present most easily be interpreted as the effect of a single universal force law resulting from a modification of Newtonian dynamics (MOND) on galactic scales. We exhaustively review the current observational successes and problems of this alternative paradigm at all astrophysical scales, and summarize the various theoretical attempts (TeVeS, GEA, BIMOND, and others) made to effectively embed this modification of Newtonian dynamics within a relativistic theory of gravity.

研究动机与目标

• 检验星系中暗物质假说面临的观测挑战，且不依赖于特定理论框架。
• 评估米格罗姆定律——一个包含普遍加速度常数的单一关系式——是否能解释观测到的质量缺失现象。
• 评估MOND在不同天体物理尺度上的成功与局限性。
• 综述将MOND嵌入相对论性引力理论的理论尝试，如TeVeS、GEA和BIMOND。

提出的方法

• 分析河外系统中超出可见物质的质量缺失现象的天文数据。
• 应用米格罗姆定律，该定律在低加速度条件下修改牛顿动力学，其特征加速度尺度的数量级与宇宙学常数的平方根相当。
• 将MOND的预测与各类天体物理系统（包括星系和星系团）的观测数据进行对比评估。
• 回顾MOND的相对论性扩展，如张量-矢量-标量（TeVeS）理论、广义爱因斯坦-以太（GEA）理论和BIMOND，以评估其与宇宙学和天体物理学约束的一致性。
• 比较MOND预测与暗物质范式在解释旋转曲线、质量-速度关系及其他动力学特征方面的表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 米格罗姆定律是否能在不引入暗物质的前提下解释星系中观测到的质量缺失？
• RQ2 MOND在预测不同天体物理尺度上的动力学特征方面表现如何？
• RQ3 与暗物质假说相比，MOND在观测上的成功与局限性是什么？
• RQ4 能否构建一个能一致嵌入MOND现象学的相对论性引力理论？
• RQ5 MOND对我们理解星系尺度上引力的本质有何启示？

主要发现

• 米格罗姆定律通过引入一个普遍加速度常数，成功预测了包括旋转曲线和质量-速度关系在内的广泛星系动力学现象。
• 米格罗姆定律中的特征加速度尺度在自然单位下与宇宙学常数的平方根数量级相当，暗示其与宇宙学存在深层联系。
• MOND无需引入不可见的暗物质即可解释星系中观测到的质量缺失，为暗物质范式提供了一致的替代方案。
• 相对论性扩展如TeVeS、GEA和BIMOND为将MOND嵌入相对论性引力理论提供了框架，但其与宇宙学观测的完全协调仍面临挑战。
• MOND的预测在包括矮星系、旋涡星系和星系团在内的多种天体物理系统中均与观测结果一致。
• 尽管取得诸多成功，MOND在解释某些大尺度宇宙学现象（如宇宙微波背景各向异性的成因）方面仍存在未解难题，这些现象目前仍更符合标准宇宙学模型的解释。