[论文解读] Structure Growth and the CMB in Modified Gravity (MOG)

J. W. Moffat|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用 18

一句话总结

本文提出，通过引入一种轻的、电中性的矢量粒子——菲翁（phion），修正引力（MOG）可在不引入暗物质的情况下解释宇宙大尺度结构的形成以及CMB功率谱。菲翁在早期宇宙中主导能量密度，通过无压强的类似简正（Jeans）机制实现扰动的快速增长；同时，重子-光子振荡产生与普朗克2013年数据相符的CMB声学峰；该模型还通过增强的引力常数，成功拟合星系功率谱。

ABSTRACT

An important piece of evidence for dark matter is the need to explain the growth of structure from the time of horizon entry and radiation-matter equality to the formation of stars and galaxies. This cannot be explained by using general relativity without dark matter. So far, dark matter particles have not been detected in laboratory measurements or at the LHC. We demonstrate that enhanced structure growth can happen in a modified gravity theory (MOG). The vector field and particle introduced in the theory to explain galaxy and cluster dynamics plays an important role in generating the required structure growth. The particle called the phion (a light hidden photon) is neutral and is a dominant, pressureless component in the MOG Friedmann equations, before the time of decoupling. The dominant energy density of the phion particle in the early universe, generates an explanation for the growth of density perturbations. The angular acoustical power spectrum due to baryon-photon pressure waves is in agreement with the Planck 2013 data. As the universe expands and large scale structures are formed, the density of baryons dominates and the rotation curves of galaxies and the dynamics of clusters are explained in MOG, when the phion particle in the present universe is ultra-light. The matter power spectrum determined by the theory is in agreement with current galaxy redshift surveys.

研究动机与目标

• 在广义相对论框架下解决宇宙大尺度结构形成问题，而无需引入暗物质。
• 仅使用重子物质和修正引力，解释观测到的CMB角功率谱。
• 证明MOG能够重现星系红移巡游中观测到的物质功率谱。
• 检验未来高红移星系巡游是否能区分MOG对物质功率谱振荡的预测与ΛCDM模型。

提出的方法

• 在协变STVG作用量中引入一个具有质量的中性矢量场φμ，通过标量场μ(x)确定菲翁质量。
• 推导修正的弗里德曼方程，其中菲翁能量密度ρϕ在退耦前占主导，实现无压强扰动增长。
• 在MOG中使用增强的引力常数G = GN(1+α)，以放大结构增长，使其与ΛCDM的有效密度对比一致。
• 对转移函数应用红移标度，通过等式(GNρ)ΛCDM ≈ (GN(1+α)ρϕ)MOG实现CMB功率谱的匹配。
• 使用标准简正方程建模重子动力学，并引入光子耦合，生成CMB中的声学振荡。
• 对MOG物质功率谱应用孔径函数以平滑预测结果，并与明亮红巨星巡游数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 MOG能否在不依赖非重子暗物质的前提下，解释从视界进入至星系形成期间大尺度结构的增长？
• RQ2 在仅使用重子物质和修正引力的前提下，MOG模型能否与ΛCDM一样准确地重现CMB的角功率谱？
• RQ3 在早期宇宙由菲翁主导且引力常数增强的条件下，MOG的物质功率谱能否与当前星系红移巡游数据相匹配？
• RQ4 未来高红移星系巡游是否能揭示MOG预测的物质功率谱中的振荡特征，从而将其与ΛCDM区分开来？
• RQ5 超轻菲翁粒子（mϕ ≈ 2.6×10−28 eV）在早期宇宙结构增长与晚期星系动力学中分别扮演何种角色？

主要发现

• 菲翁粒子在早期宇宙中质量mϕ ≫ 10−28 eV，表现为无压强组分，使密度扰动从辐射-物质相等期至退耦期实现类似简正的快速增长。
• 当通过红移标度应用(GNρ)ΛCDM ≈ (GN(1+α)ρϕ)MOG时，MOG中的CMB角功率谱与普朗克2013年数据高度吻合。
• 在应用孔径函数后，MOG的物质功率谱与明亮红巨星巡游数据的拟合程度与ΛCDM预测相当。
• 菲翁质量从早期宇宙的重质量（mϕ ≫ 10−28 eV）演化至今日的超轻质量（mϕ = 2.6×10−28 eV），从而在晚期实现与星系旋转曲线的一致性。
• 该模型预测物质功率谱中存在可探测的重子声学振荡，未来结合高红移星系样本与窄孔径函数的巡游可能实现分辨。
• MOG成功在一个单一的相对论性、协变框架下统一了太阳系检验、星系旋转曲线、星系团动力学与大尺度结构形成。