[论文解读] On a probable manifestation of Hubble expansion at the local scales, as inferred from LLR data

Yu. V. Dumin|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2002

Geophysics and Gravity Measurements被引用 9

一句话总结

该论文提出，通过月球激光测距（LLR）观测到的月球轨道半长轴每年异常增加1.3厘米，可能源于局部哈勃膨胀，而不仅仅是潮汐效应。该研究推导出局部哈勃常数为 $ H_0^{ ext{(loc)}} = 33 \pm 5 $ (km/s)/Mpc，表明非凝聚态暗物质或暗能量驱动了局部膨胀，而重子物质则坍缩成致密天体。

ABSTRACT

Processing the data of lunar laser ranging (LLR), whose accuracy now reaches a few millimeters, points to the effect of anomalous increase in the lunar semimajor axis (with an excessive rate 1.3 cm/yr), which cannot be attributed to the well-known tidal exchange of angular momentum between the Earth and Moon. One of the possible interpretations of the above-mentioned anomaly may be the "local" Hubble expansion with H = 33 +/- 5 (km/s)/Mpc. This small value of the local Hubble constant (about two times less than at intergalactic scales) can be reasonably explained if it is formed only by some kind of an unclumped "dark matter" or "dark energy", while the other kinds of matter experienced a gravitational instability, formed compact objects, and no longer contribute to the formation of Hubble expansion at the local scales.

研究动机与目标

• 利用LLR数据解决观测到的月球轨道扩张速率与理论预测之间的差异。
• 研究地月距离的异常增加是否可归因于局部哈勃膨胀，而非潮汐或地球物理效应。
• 评估与星际值相比，局部哈勃常数减小的宇宙学意义。
• 探索LLR作为探测局部宇宙膨胀潜力工具的可能性。

提出的方法

• 处理具有毫米级精度的高精度LLR数据，以提取月球半长轴的变化率。
• 将观测到的增加率（$ \dot{R}^{\text{(LLR)}} = 3.82 $ cm/yr）与潮汐预测值（$ \dot{R}^{\text{(tid)}} = 2.53 $ cm/yr）进行比较，以分离出异常部分。
• 应用哈勃定律关系 $ \Delta\dot{R} = H_0^{\text{(loc)}} R $，从异常速率推断局部哈勃常数。
• 利用角动量守恒和轨道力学模型，模拟潮汐贡献并验证潮汐速率预测。
• 评估非凝聚态暗物质或暗能量在维持局部哈勃膨胀中的作用，同时重子物质形成致密结构。
• 评估该局部哈勃值与近期在1–2 Mpc尺度上观测到的静止哈勃流的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 月球半长轴的异常1.3 cm/yr增加是否可由局部哈勃膨胀解释，而非潮汐或地球物理效应？
• RQ2 为何从LLR数据推导出的局部哈勃常数显著低于标准星际值？
• RQ3 非凝聚态暗物质或暗能量在小尺度上维持局部哈勃膨胀中扮演何种角色？
• RQ4 LLR技术能否用于测量或约束局部宇宙膨胀速率？
• RQ5 重子物质形成致密天体的过程如何影响不同物质类型对局部哈勃流的贡献？

主要发现

• 基于LLR与望远镜数据对比，月球半长轴的异常增加量为1.29 cm/yr，超出潮汐预测值。
• 通过将哈勃定律应用于异常速率，推导出局部哈勃常数为 $ H_0^{\text{(loc)}} = 33 \pm 5 $ (km/s)/Mpc。
• 该值约为标准星际哈勃常数的一半，表明存在独特的局部宇宙学机制。
• 该差异可能源于仅非凝聚态暗物质或暗能量贡献于局部膨胀，而重子物质已坍缩为致密天体。
• 该结果与近期在1–2 Mpc尺度上观测到的静止哈勃流一致，可能表明存在非凝聚态暗物质。
• LLR或可作为探测局部宇宙膨胀的新工具，为测量或设定 $ H_0^{\text{(loc)}} $ 的上限提供途径。