[论文解读] On the rotation curves of galaxies at low and high redshifts

C. E. Navia|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2017

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文提出了德拜引力理论（DGT），通过温度依赖的引力框架，将星系旋转曲线与宇宙的热历史联系起来。该理论预测在红移 z ≈ 0.77 处发生旋转曲线行为的不连续转变——从牛顿型（下降）过渡到 MOND 型（上升）——其驱动力为与暗能量相关的狄拉克δ函数型扭转力，从而在不预先假设暗能量的前提下，提出了一种新的暗能量观测特征。

ABSTRACT

The thermal history of the Universe is included in the Debye Gravitational Theory (DGT) to describe the speed of rotation of the galaxies. The DGT incorporate the temperature of Debye in the entropic gravitational theory. According to the DGT, the expression of the rotation of the galaxies is not a continuous function of the redshift, there is a discontinuity at $\sim 0.77$. According to their redshift, the galaxies form two groups. (a) Those with redshift above 0.77 with declining rotation curves like $R^β$ with $β\leq -0.5$ (Newtonian regime). (b) Those with redshift below 0.77 with rising rotation curves like $R^β$ with $β\geq 0$ (Mondian regime). At $z\sim 0.77 $ an extra boost (Dirac delta-like twisting force) led the galaxies to spin very fast.This scenario is consistent with a mysterious entity such as the dark energy and that at $z\sim 0.77 $, in addition to accelerating the expansion, boosted the rotation of the galaxies again, inducing a transition between the Newtonian regime to the Mondian regime. It is possible to check that the characteristics on galaxy rotations provided by the DGT for a broad range of redshift from $z\sim 4$ to $z=0$ are in agreement with the observations. We believe that the change in the form of rotation of galaxies at $z\sim 0.77$ is new evidence for the hypothesis of dark energy.

研究动机与目标

• 通过一种基于热力学的引力理论，解释宇宙时空中星系旋转曲线的演化。
• 探究在 z ≈ 0.77 处观测到的旋转曲线形态转变是否可归因于与暗能量相关的物理机制。
• 检验德拜引力理论（DGT）是否能在不预先假设暗能量的前提下，重现观测到的旋转曲线趋势。
• 通过狄拉克δ函数型力，将宇宙加速膨胀的开始与星系旋转速度的突然提升联系起来。
• 通过不同红移下星系旋转曲线的形态，为暗能量提供一种新的观测检验方法。

提出的方法

• DGT 将德拜温度引入熵力引力，通过全息屏上的振动模式（声子）建模引力效应。
• 该理论推导出两个渐近区域：高红移时（高温）为牛顿型，低红移时（低温）为 MOND 型。
• 通过狄拉克δ函数型扭转力，在 z ≈ 0.77 处引入旋转曲线行为的不连续性，模拟角速度的突然提升。
• 该模型利用宇宙微波背景温度演化，将红移映射到温度，从而将热历史与引力动力学联系起来。
• 该理论计算出在 z = 0.77 处的暗能量密度为 ρ_D = 1.78 × 10⁻⁴⁶ GeV⁴，与临界密度归一化一致。
• 该理论在 DGT 框架内推导出当前宇宙膨胀的加速度为 a = 4.1 × 10⁻⁹ m/s²。

实验结果

研究问题

• RQ1 星系旋转曲线的形态是否在 z ≈ 0.77 处表现出不连续转变，且能否通过热力学引力模型中的物理力来解释？
• RQ2 德拜引力理论能否在不预先假设暗能量的前提下，重现从红移中观测到的下降型（牛顿型）和上升型（MOND 型）旋转曲线？
• RQ3 在 z ≈ 0.77 处观测到的转变是否与宇宙加速膨胀的开始同时发生，且是否暗示其共同起源于一种扭转力？
• RQ4 DGT 能否仅通过星系旋转曲线数据和热历史，预测 z ≈ 0.77 处的暗能量密度？
• RQ5 DGT 对 z ≈ 0.77 附近星系计数不足现象有何启示，是否表明星系动力学中存在物理转变？

主要发现

• DGT 预测在 z ≈ 0.77 处星系旋转曲线行为发生不连续转变，将牛顿型（下降）与 MOND 型（上升）区域分隔开。
• 红移 z > 0.77 的星系表现出旋转曲线下降速度超过 R⁻⁰.⁵，与在 z ≈ 1.52 处观测到的高红移星系一致。
• 红移 z < 0.77 的星系处于 MOND 型区域，显示上升的旋转曲线，并在低红移处趋于平坦，与邻近星系的平坦曲线相匹配。
• 在 z = 0.77 处的暗能量密度计算为 ρ_D = 1.78 × 10⁻⁴⁶ GeV⁴，该结果源自 DGT 框架与临界密度归一化。
• 当前宇宙膨胀的加速度被预测为 a = 4.1 × 10⁻⁹ m/s²，与 DGT 的热力学引力起源一致。
• 该模型将 z ≈ 0.77 附近星系计数的观测不足解释为引力区域转变的特征，尤其在星系核活动星系（AGN）样本中表现明显，这些样本受恒星形成污染最小。