[论文解读] The many tensions with dark-matter based models and implications on the nature of the Universe

Pavel Kroupa, Eda Gjergo+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用 7

一句话总结

本次更新的评审综述了基于暗物质的宇宙学（SMoC：LambdaCDM/WDM）与观测之间的张力，讨论了 MOND 等替代方案，并勾勒出非暗物质模型的可行方向。

ABSTRACT

(Abridged) Fundamental tensions between observations and dark-matter based cosmological models have emerged. This updated review has two purposes: to explore new tensions that have arisen in recent years, compounding the unresolved tensions from previous studies, and to use the shortcomings of the current theory to guide the development of a successful model. Tensions arise in view of the profusion of thin disk galaxies, the pronounced symmetrical structure of the Local Group of Galaxies, the common occurrence of planes of satellite systems, the El Gordo and Bullet galaxy clusters, significant matter inhomogeneities on scales much larger than 100 Mpc, and the observed rapid formation of galaxies and super-massive black holes at redshifts larger than 7. Given the nature of the tensions, the real Universe needs to be described by a model in which gravitation is effectively stronger than Einsteinian/Newtonian gravitation at accelerations below Milgrom's acceleration scale. The promising nuHDM model, anchored on Milgromian dynamics but keeping the standard expansion history with dark energy, solves many of the above tensions. However galaxy formation appears to occur too late in this model, model galaxy clusters reach too large masses, and the mass function of model galaxy clusters is too flat and thus top-heavy in comparison to the observed mass function. Classes of models that reassess inflation, dark energy and the role of the CMB should be explored.

研究动机与目标

• 在日益增多的观测张力下，推动重新评估以暗物质为基础的标准宇宙学。
• 从星系尺度到本地群和大尺度结构，总结关键的经验性张力。
• 探索无需暗物质、但保留可计算结构形成框架的替代宇宙学。
• 突出 AMoC、BMoC 及其优缺点，指导可行的非暗物质理论的发展。

提出的方法

• 回顾并综合从星团到宇宙学视界的跨尺度观测张力。
• 将标准 SMoC 公设及辅助假设与新兴数据的“基础张力”FT 与 T1–T5 张力进行比较。
• 讨论 MOND 在低加速度 regime 下对重力的有效解，并将其与 p-拉普拉斯泛化联系起来。
• 将 AMoC 作为具有相同膨胀历史的 MOND 基模型引入，并将 Bohemian 模型（BMoC）作为一个不那么极端的替代方案引入。
• 指出当前仿真无法再现观测到的结构（如圆盘、平面以及高红移星系）。
• 勾勒放宽 SMoC 边界条件但仍保持可计算性的潜在宇宙学。

实验结果

研究问题

• RQ1 在从星系到视界的尺度上，哪些观测张力挑战基于暗物质的宇宙学（SMoC）的可行性？
• RQ2 MOND 启发或其他非暗物质框架是否能再现关键动力学与结构特征（例如圆盘、卫星平面）及膨胀历史？
• RQ3 像 AMoC 或 BMoC 这样的替代方案是否能在不牺牲结构形成可计算性的前提下解决已识别的张力？
• RQ4 这些张力对宇宙学中的暗能量和暴涨等 Fundamental 组成部分有何意义？

主要发现

• 在代表体积中，超过 90% 的星系拥有薄而延伸的古星形成圆盘，这些圆盘在 SMoC 预测的重复并合下较为脆弱。
• 本地群及邻近系统显示出平面状且相干的卫星结构（如仙女座和银河系中的卫星体系），这与 SMoC 中的暗物质晕难以调和。
• 无耗散的暗物质晕及相关的并合历史似乎与观测到的潮汐特征、棒型模式速度和卫星分布（DoS/平面）不一致。
• 对 M81 群、福纳克斯矮星及透镜子结构的观测挑战了按 SMoC 预测的暗物质晕的存在。
• 在 z_e 约 20 的高红移观测到质量在 10^9–10^10 M_sun 的星系，暗示的形成时间早于 SMoC 的预测；早型星系的 Downsizing 与快速 SMBH 形成也支持这一点。
• 哈勃问题可能与大尺度体积流动和非均匀性相关，意味着结构生长速度快于 SMoC 允许的程度。