暗黒物質は、現代物理学の最も不可解な課題の 1 つです。それは、重力相互作用によってのみ現れる神秘的な存在であり、現在の宇宙のエネルギー量の約 27% に相当します。その存在は 1933 年から知られていますが、その性質と起源はまだわかっていません。
暗黒物質は銀河の回転曲線を通して観測され、周辺の星の速度が中心から離れ、銀河団の構成要素としての銀河の結合を通してかなり一定になることを明らかにします。銀河円盤の安定性は、暗黒物質が円盤と銀河バルジを取り囲む球状ハローに広がっていることを示唆しています。観測は、天の川のダイナミクスも暗黒物質によって支配されていることを示しています。 N体シミュレーションを使用して、ハロー内の暗黒物質の分布を数学的に説明するさまざまな試みがありました。最も議論されている説明の 1 つは、いわゆるナバロ-フレンク-ホワイト プロファイルです。ハロー内の暗黒物質の密度は、本質的にハローの中心からの距離の 3 乗に反比例します (ニュートンの万有引力の法則が確立していることを思い出してください)。力は距離の 2 乗に反比例するため、距離に反比例する物質の密度が生じます)。
私たちの研究では、ハロー内の暗黒物質の分布を使用することで、一般相対性理論 (GR) の基本的な基本原則の 1 つである弱等価原理 (WEP) に非常に厳しい制限を適用できることを示しました。 WEP は、重力場における点質量粒子の軌道は、その初期位置と速度のみに依存し、その組成と構造には依存しないと述べています。言い換えれば、WEP はニュートン力学の重力質量と慣性質量の同等性を再表明したものです。
GR は、重力相互作用を説明するためにこれまでに得られた最良の理論であり、1915 年にアインシュタインの場の方程式の最終版が登場してから数年後、何度か実験と観測を繰り返して検証されてきました。太陽系レベルでは、いくつかの重力現象の包括的な理解を提供します。より大きなスケールでは、暗黒物質 (および暗黒エネルギー) を導入する必要性により、天体物理学的および宇宙論的スケールでの GR からの逸脱の探索が促進されます。
GR を重力の他の代替理論と比較するためのかなり一般的なフレームワークは、いわゆるパラメータ化されたポスト ニュートン形式であり、2 つの異なる粒子 (たとえば、光子とニュートリノ) または異なるエネルギーを持つ 1 つのタイプの粒子のみを考慮します。同じ重力場での軌跡を比較します。このフレームワークでは、各粒子はパラメーター「γ」(γ1 粒子 1 と γ2 の場合 2) したがって、WEP は γ1 を予測します。 =γ2 両方の粒子が同じ速度 (光速) を持ち、同じ距離を移動し、それらの軌道が内部構造やその他の特徴から独立していると仮定します。
この一連の推論は、ガンマ線などの天体物理現象から生じる 2 つの異なる粒子 (光子とニュートリノ、または異なるエネルギーを持つ 2 つの光子など) の時間遅延の測定を通じて、WEP の制約を取得するための実験手順を提供します。レイバーストまたは高速電波バースト。これらの現象は、WEP が尊重されない場合、時間遅延を明らかにする可能性のある連星中性子星などの天体物理学的オブジェクトまたはシステムから放出される、異なる周波数 (したがって異なるエネルギー) を持つ光子のバーストで構成されます。地球上で観察されたときの到着時。各粒子の移動時間が γ に比例することを考えると、WEP の推定上の違反は、γ1 の差によって示されます。 そしてγ2 . GR の成功を考えると、この差は非常に小さいと予想されます。
差γ1 – γ2 また、粒子が通過する物質密度にも反比例します。したがって、地球上で測定された粒子は主に天の川の重力ポテンシャルの影響を受けており、私たちの銀河は暗黒物質によって支配されているため、暗黒物質の存在が上記の WEP の境界にどのように影響するかを尋ねるのは自然なことです。この効果は、私たちの仕事で初めて考慮されました。暗黒物質の寄与により銀河の質量が大きくなるため、γ1 の差のより厳しい制限が可能になることになります。 – γ2 .
したがって、私たちの銀河系に暗黒物質が存在することを考慮すると、パラメータ γ の差についてより厳しい制約を得ることができます。 Navarro-Frenk-White プロファイルと偏光ガンマ線バーストの時間遅延測定を考慮して、これまでで最も厳しい限界 γ1 を得ました。 – γ2 <10。これは、WEP が非常に根拠のある基本原則であり、暗黒物質がこの議論で重要な役割を果たしていることを示しています。
