[论文解读] MOND-like behavior in the Dirac-Milne universe -- Flat rotation curves and mass/velocity relations in galaxies and clusters

G. Chardin, Yohan Dubois+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 77被引用 2

一句话总结

本文提出，狄拉克-米尔内宇宙——一种物质-反物质对称的宇宙学模型，其中物质与反物质之间存在引力排斥——可以自然地重现类似MOND的行为，而无需暗物质。通过解析模型和使用改进的RAMSES代码进行的一维与三维模拟，研究显示：在约2.5倍virial半径之外，旋转曲线呈平坦状态；基于牛顿动力学推导出的质量系统性地被高估，且在z=0时存在约10⁻¹¹ m/s²的额外引力场，与MOND加速度尺度a₀一致。

ABSTRACT

We show that in the Dirac-Milne universe (a matter-antimatter symmetric universe where the two components repel each other), rotation curves are generically flat beyond the characteristic distance of about 3 virial radii, and that a Tully-Fisher relation with exponent $\approx 3$ is satisfied. Using 3D simulations with a modified version of the RAMSES code, we show that the Dirac-Milne cosmology presents a Faber-Jackson relation with a very small scatter and an exponent equal to $\approx 3$ between the mass and the velocity dispersion. We also show that the mass derived from the rotation curves assuming Newtonian gravity is systematically overestimated compared to the mass really present. We also show that the Dirac-Milne universe, featuring a polarization between its matter and antimatter components, presents a behavior similar to that of MOND (Modified Newtonian Dynamics), characterized by an additional surface gravity compared to the Newtonian case. We show that in the Dirac-Milne universe, at the present epoch, the intensity of the additional gravitational field $g_{am}$ due to the presence of clouds of antimatter is of the order of a few $10^{-11}$ m/s$^2$, similar to the characteristic acceleration of MOND. We study the evolution of this additional acceleration $g_{am}$ and show that it depends on the redshift, and is therefore not a fundamental constant. Combined with its known concordance properties on SNIa luminosity distance, age, nucleosynthesis and structure formation, the Dirac-Milne cosmology may then represent an interesting alternative to the $\Lambda$CDM, MOND, and other scenarios for explaining the Dark Matter and Dark Energy conundrum.

研究动机与目标

• 研究狄拉克-米尔内宇宙学中，若物质与反物质之间存在排斥力，是否能重现星系和星系团中观测到的平坦旋转曲线。
• 检验该模型是否能自然产生类似MOND的动力学行为，而无需引入暗物质或基本常数加速度。
• 研究狄拉克-米尔内宇宙中额外引力场的起源及其红移依赖性。
• 评估该模型与观测到的标度关系（如Tully-Fisher关系和Faber-Jackson关系）的一致性。
• 在核合成、结构形成以及哈勃参数张力的背景下，评估该模型的可行性。

提出的方法

• 使用改进的RAMSES宇宙学模拟代码，模拟物质-反物质对称宇宙中的引力动力学。
• 应用一维与三维模拟，研究孤立系统中的旋转曲线与virial速度。
• 采用解析近似方法，推导反物质云产生的引力场及其与红移的关系。
• 追踪额外引力场强度gam随尺度因子a(t)的变化，展示其红移依赖性。
• 使用AdaptaHOP算法计算晕的星表，以识别引力束缚结构。
• 将模拟的质量-速度关系与观测到的Tully-Fisher关系和Faber-Jackson关系进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 狄拉克-米尔内宇宙是否能在不引入暗物质的情况下重现平坦旋转曲线？
• RQ2 狄拉克-米尔内模型中，反物质云产生的引力场是否在z=0时产生类似MOND的加速度尺度？
• RQ3 狄拉克-米尔内模型中的额外引力场是常数还是具有红移依赖性？
• RQ4 模拟得到的Tully-Fisher关系和Faber-Jackson关系在多大程度上与观测结果一致？
• RQ5 该模型的结构形成过程与核合成及大尺度均匀性约束相比如何？

主要发现

• 狄拉克-米尔内宇宙中的旋转曲线在约2.5倍virial半径之外普遍呈现平坦状态，与观测一致。
• 若假设牛顿引力，从旋转曲线推导出的质量系统性地高于真实质量，表明存在类似MOND的动力学偏差。
• 反物质云产生的额外引力场在当前宇宙的强度约为10⁻¹¹ m/s²，与MOND加速度尺度a₀一致。
• 该额外场的大小gam依赖于红移，因此并非基本常数，与标准MOND中的情况不同。
• Tully-Fisher关系和Faber-Jackson关系近似满足，幂律指数约为3，略低于观测值约3.85。
• 该模型的结构形成与核合成及观测到的均匀性尺度一致，尽管由于初始域尺寸有限，大尺度模拟仍具挑战性。