2017年10月21日土曜日

90 The Speed of Dark Photon

90 The Speed of Dark Photon 【Exploring the universe】Dialogue with the Universe

・・・If dark matter and dark energy has a correlation
 ・What is Dark Photon?・・・We can estimate that Dark Energy and Dark Matter exists, because Energy and Substance exists.
 ・Here, I calculate the Speed of Dark Photon by formula:E=mc^2.
   (E:Energy、m:Mass、c:Speed of Photon)
・cd^2/c^2=Ed・m/(E・md)=3/0.035≒100
   (cd:Speed of Dark Photon、Ed:Dark Energy、md:Mass of Dark Matter)
・From the above, we can estimate that Speed of Dark Photon is about 10 times that of Speed of Photon.
・In addition, there is also the possibility of Ed = md × cd.
・In this case, Speed of Dark Photon is estimated about 100 times that of Speed of Photon.



【Reference】
1. Sandro Iannaccone”Trovata una quinta forza della natura?” at WIRED 2016
http://www.wired.it/scienza/lab/2016/05/26/quinta-forza-natura/

90 暗黒光の速度

90 暗黒光の速度 【宇宙を探る】宇宙との対話

・・・暗黒物質と暗黒エネルギーが関係がある場合
 ・暗黒光(Dark Photon)とは?・・・物質とエネルギーのあるところには光があることから、暗黒物質と暗黒エネルギーがあるところには暗黒光があると推定される。
・ 暗黒光の速度をE=mc^2、の式を用いて計算すると次のとおり。
   (E:エネルギー、m:質量、c:光の速度)
・cd^2/c^2=Ed・m/(E・md)=3倍/0.035倍≒100
   (cd:暗黒光の速度、Ed:暗黒エネルギー、md:暗黒物質の質量)
・以上のことから、暗黒光の速度は光速の約10倍と推定される。
・ なお、暗黒物質と暗黒エネルギー、暗黒光の速度が、Ed=md×cdの可能性もある。
・ その場合は、暗黒光の速度は光速の約100倍と推定される。



【参 照】
1. Sandro Iannaccone”物理の常識を覆す「第5の力」”at WIRED 20160818
http://wired.jp/2016/08/18/quinta-forza-natura/

89 What is Dark Energy?

89 What is Dark Energy? 【Exploring the universe】Dialogue with the Universe

○Dark energy is to expand the space.
☆Two of the nature of the following is assumed.
(1)Repulsive force between the antimatter at the interface of the real universe produces dark energy.
・・・However, it is hard to explain the re-acceleration of the universe expansion by this assumption.
(2)☆Dark energy is considered to be a particle with the structure like dark matter(fine particles having a three-dimensional structure) [1].
・・・The inflation of the universe can be explained by this assumption.
   ・・・The re-acceleration of the universe expansion can also be explained.
   ⇒☆Expansion of the universe is likely to stop in abruptly like an automatic umbrella.
   ・・・However, if the dark energy is the transition such as in the figure below, it can explain the re-acceleration even not have a structure.

遷移モデル(英語).png 

【Reference】
1. No.88-4-2 A Structure of Dark Mtter

89 暗黒エネルギーとは何か?

89 暗黒エネルギーとは何か? 【宇宙を探る】宇宙との対話

○暗黒エネルギーは宇宙空間を膨張させる。
☆次の2つの性質が想定される。
(1) 実宇宙の境界面での反物質間の斥力が暗黒エネルギーを生み出す。
・・・ただし、これだと宇宙膨張の再加速は説明しにくい。
(2) 暗黒エネルギーは暗黒物質(立体構造を持つ微小粒子)と同じく構造を持つ粒子とも考えられる [1]。
・・・これだと宇宙のインフレーションも説明できる。
・・・宇宙膨張の再加速も説明できる。
   ⇒宇宙の膨張はやがて唐突に止まる可能性がある。(例)ジャンプ傘
   ・・・しかし、暗黒エネルギーが下図のような遷移をする場合は、構造を持たなくとも再加速を説明できる。

遷移モデル.png 

【参 照】
1. No.88-4-2 暗黒物質の構造

88 What is Dark Matter?

88 What is Dark Matter? 【Exploring the universe】Dialogue with the Universe

88-1 Bullet cluster [1]

弾丸銀河.png

弾丸銀河(重力レンズ).png
Credit: X-ray: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al.; Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.; Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al. [2]

弾丸銀河ー3.png
※A galaxy cluster or cluster of galaxies is a structure that consists of anywhere from hundreds to thousands of galaxies bound together by gravity.[2]
※It can be observed both the baryon component and the dark matter component of galaxy clusters by combining the X-ray and a gravitational lens.
※Bullet cluster (1E0657-56) is a very rare high-speed collision. [3]

○The major components of the cluster pair—stars, gas and the putative dark matter—behave differently during collision, allowing them to be studied separately. This accords with prediction of dark matter as only weakly interacting, other than via the gravitational force. [4]

<Deta>
・Collision time:1 00~ 200 million years ago
・Distance:3.7 billion light-years
・The relative speed of two galaxy clusters:4,500 km / s
・The ratio of two galaxy clusters = 1:10
・Current distance of two galaxy clusters:1~2 million light-years
・Mass:10^14~10^15M
・The number of galaxies: several hundred to several thousand

○The hot gas of the two colliding components, seen in X-rays, represents most of the baryonic, i.e. ordinary, matter in the cluster pair.
○The stars of the galaxies, observable in visible light, were not greatly affected by the collision, and most passed right through, gravitationally slowed but not otherwise altered. 

88-2 Structure of the Universe/Fluid simulation of the dark matter [5] [6]
<Setting>
・It is necessary to devise for reducing the amount of calculation. (About 550 billion pieces of dark matter particles [7])
・Short-range force is solved by Barnes-Hut treecode(solving properly because the influence is large), long-range force is solved by particle/mesh simulation(summarized because the influence is small).
・In particle/mesh simulation the amount of calculation dramatically increased as the structure develops, but it is prevented by Barnes-Hut treecode.
・Dark energy does not affect much in structure formation.

<Difficulty>
・High-density structures are development everywhere. → divide the dynamic region.
・Gravity is a long-range force. → devise communication algorithm.

重力計算.png

重力計算ー2.png

重力計算ー3.png
※ The photograph above is an enlarged view of the part of the bottom panel. Lower right is the halo of the largest clusters of galaxies that were formed in this simulation. [7]

88-3 What is Dark matter?
○ Mass of dark particles(particles of dark matter) is 0.3 pieces of hydrogen atoms. [8]
○Density:Dark matter that is included in the earth is 500g. [8]
○Supersymmetric particles are candidates for dark matter. [9]
   
超対称性粒子.png
※ Supersymmetry (SUSY) [10]

☆Dark matter may be a superposition of gravity waves?


※Gravitational wave generated from collision of two black holes (ILLUSTRATION BY C. HENZE, NASA)

88-4 Gravity of dark matter
88-4-1 Nature of gravity is different?
・Gravity of Substance is represented by F=G・ma・mb/square of L.
(G:gravitational constant、ma・mb:mass、L:distance)
・Dark matter, despite about5 times presence of Substance, is distributed spherically around the galaxy.
・From the above, assuming Gravity of Dark Matter to be represented by 
Fd=Gd・ma・mb/n-th power of L,
n is estimated that less than 1.
   (Gd:gravitational constant of Dark Matter)
・However, it is difficult to explain the attraction between the substance and the dark matter in this assumption.

暗黒物質.gif
※True nature of galaxies [11]

☆ If dark matter is a superposition of gravity waves, this idea is not necessary.

88-4-2 A Structure of Dark Matter 

May 19, 2016  Publication

○I wish to suggest a structure for dark matter. This structure has novel features which are of considerable cosmological interest. 
○A structure for particles of dark matter(:dark particles) has not been proposed yet. Only the models of large scale structure of the universe are proposed. In my opinion, these models are unsatisfactory for two reasons:
(1)I believe that the retention force which gives the dark matter halo is the structure of dark particles, not the nature of gravity. Without the structure of dark particles it is not clear what dark matter halo would hold such large structure.
(2)The models of large scale structure appear to be too large.

○Atomic structure is almost empty, however has a large volume. In Bohr model [12] the size of atom is a diffuse cloud of negatively charged electrons surrounding a small, dense, positively charged nucleus.

○I wish to put forward a new structure for dark matter. This structure is something stereoscopic based on sphere. Several models are considered. (see Figure1)
○I have made the usual quantum physical assumptions, namely, that each dark particles in close proximity are held in a single orbit by the centripetal force of gravity.
The two orbits are related by electromagnetic radiation. But such radiation is not observed.
○Each dark matter clusters pass with little affected in the collision of galaxy clusters. I have assumed the radius of the orbit is much larger than particle.

結晶構造(英語).png

カーボンナノチューブ.png
Figure1 Examples of the structure [13] [14]

○The dark matter halo surrounding the spiral galaxy appears to have 10 times huge spherical structure of the galaxy. If dark matter forms such 3-dimensional structure, then the huge structure is automatically determined. (see Figure2)

○The dark matter halo always has been suggested the existence of the particle structure.

暗黒物質.gif
Figure2 True nature of galaxies [11]

○It has not escaped my notice that the structure of dark matter I have postulated immediately suggests a possible quest for identity of the dark matter.

I am much indebted to Internet, especially Google and Wikipedia for constant information. 
I have also been stimulated by knowledge of the online course of cosmology of Dr. Brian Schmidt and Dr. Paul Francis at Australian National University [15], Hitoshi Murayama at The University of Tokyo [11].

88-4-3 Method of verifying the structure of dark matter:Gravity wave analysis experiment in outer space
☆ When the dark matter has a structure, the gravitational wave is strongly scattered at a specific angle.
☆ Therefore, gravity waves with different strengths will be observed at different places in outer space.


※Example of electron beam analysis [16]

88-4-4 Twist of Supersymmetry [8]
:In the supersymmetry, bose particles (that convey the force) is the material particles.

対称性のねじれ(英語).png

<Conclusions ☆>Dark matter is supersymmetry Bose particle and has 3-dimensional structure.

88-4-5 Dark Matter and Black Hole
○Because dark matter has 3-dimensional structure,we can estimate that Dark Matter is difficult to form a Black Hole compared to Substance.

【References】
1. NASA “CHANDRA” 
http://chandra.harvard.edu/photo/2006/1e0657/index.html
2. Galaxy cluster - Wikipedia
3. Doug Marett“The Bullet Cluster: Evidence for Dark Matter or Not?”2013
http://www.conspiracyoflight.com/Cosmology/Bullet.html
4. Bullet cluster - Wikipedia
5. 石山智明“スーパーコンピューターの中で生まれる宇宙”
https://www.ssken.gr.jp/MAINSITE/download/newsletter/2012/20121024-sci-2/lecture-01/SSKEN_sci2012-2_ishiyama_presentation.pdf
6. 石山智明”世界最大のシミュレーションでダークマターの正体にせまる” 2013 -You Tube
https://www.youtube.com/watch?v=QsBiGS2zq-8
7. 国立天文台“宇宙初期から現在に至る世界最大規模のダークマターシミュレーション” 
http://www.astroarts.co.jp/news/2015/05/07simulation/index-j.shtml
8. 蓑輪眞“暗黒物質の正体は何か?”
http://www.resceu.s.u-tokyo.ac.jp/symposium/daigaku&kagaku/MINOWA.pdf
9. 浅井祥仁”「テラスケール物理」領域の概要”
http://www.icepp.s.u-tokyo.ac.jp/terascale/overview.html 
10.Dennis SILVERMAN”More About Supersymmetry”
http://sites.uci.edu/energyobserver/2012/12/02/update-on-some-higgs-blog-entries/
11. Hitoshi Murayama“From the Big Bang to Dark Energy” Coursera of The University of Tokyo
https://www.coursera.org/learn/big-bang?utm_campaign=opencourse.bV6GUWEbEeSceSIACy-PDA.opencourse.announcements~opencourse.bV6GUWEbEeSceSIACy-PDA.instructorCourseStart&utm_medium=email&utm_source=other
12. Bohr model - Wikipedia
13.Substances &Technologies 
http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=metals_crystal_structure
14.The Univercity of Arizona
http://news.engr.arizona.edu/news/materials-science-and-engineering-students-win-best-poster-professional-meetings-0
15. edX ” Astrophysics: Cosmology
https://www.edx.org/course/astrophysics-cosmology-anux-anu-astro4x
16. Low Energy Electron Diffraction
http://www.chem.qmul.ac.uk/surfaces/scc/scat6_2.htm

88 暗黒物質とは何か?

88 暗黒物質とは何か? 【宇宙を探る】宇宙との対話

88-1 弾丸銀河団 (bullet cluster)から分かること [1]
銀河団同士の衝突跡がこれだ!

弾丸銀河.png

弾丸銀河(重力レンズ).png
Credit: X-ray: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al.; Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.; Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al. [2]

弾丸銀河ー3.png
銀河団( galaxy cluster)とは、数百-数千の銀河の集まり。
X線重力レンズを組み合わせることで銀河団バリオン成分と暗黒物質成分の両方を観測できる。
※弾丸銀河団(1E0657-56)は非常にまれな高速衝突。[3]

○衝突する銀河団では、バリオンのような一般の星間物質が重力以外の力で大きな抵抗を受けるのに対し、重力でしか相互作用しないと考えられている暗黒物質銀河の星とともにあまり抵抗を受けずに通り抜ける。[1]

<基本データ>
・衝突時期:1~2億年前
銀河系からの距離:37億光年
銀河団の相対速度:4,500 km/s 
・大きさの比=1:10
・現在の銀河団間の距離:100~200万光年
・質量:10^14~10^15M
銀河の数:数百~数千個

○チャンドラ衛星によるX線撮影では、星間物質のほとんどはピンクの部分に含まれている。
○しかし、重力レンズ効果を用いた観測では、重力の中心は青の部分にある。

88-2 宇宙の構造/暗黒物質の流体シミュレーション [4] [5]
<設定>
・計算量を落とすための工夫が必要。(約5,500億個の暗黒物質粒子 [6])
・近距離力をTree法(影響が大きいのできちんと解く)、遠距離力をPM法(影響が少ないのでまとめる)で解く。
・PM法では構造が発達するにつれて計算量が激増するが、Tree法で防ぐ。
・暗黒エネルギーは構造形成にはあまり影響しない。

<困難性>
・高密度構造がいたるところで発展する。→動的領域を分割する。
・重力は長距離力である。→通信アルゴリズムを工夫する。

重力計算.png

重力計算ー2.png

重力計算ー3.png
※1枚目のパネル一部を順に拡大したもの。右下はこのシミュレーションで形成した一番大きい銀河団のハロー [6]

88-3 暗黒粒子とは?
暗黒物質の粒子の質量は水素原子0.3個分。[7]
○密度:地球に含まれる暗黒物質は500g [7]
超対称性粒子が暗黒物質の候補。[8]

暗黒物質の候補.png

暗黒物質重力波の重なりかもしれない?


※2つのブラックホールの衝突により発生した重力波(ILLUSTRATION BY C.HENZE、NASA

88-4 暗黒物質の重力
88-4-1 重力の性質が違う?
○物質の重力は、F=G・ma・mb/(L^2)、で表される。
(G:万有引力定数、ma・mb:質量、L:距離
暗黒物質は物質の5倍以上存在するにもかかわらず、例えば銀河では、その周辺に球状に分布している。
○このことから、暗黒物質の重力を、Fd=Gd・ma・mb/Lのn乗、とすると、nは1以下と推測される。
(Gd:暗黒物質の引力定数)
○しかし、これだと物質と暗黒物質間の引力の説明が難しくなってしまう。

暗黒物質.gif
※True nature of galaxies [9]

88-4-2  暗黒物質の構造

        2016年5月19日

○私は暗黒物質には構造があると考える。この構造は宇宙論的に新規な特徴を有している。
暗黒物質の粒子(暗黒粒子)の構造はまだ提案されていない。提案されているのは、宇宙の大規模構造モデルだけだ。これらのモデルは2つの理由で不十分だ:
(1)私はダークマターハローの保持力は、重力の性質ではなく、構造により得られるものと考える。暗黒粒子の構造がなければ、ダークマターハローはあのように大きな構造を取りえない。
(2)大規模構造モデルは大き過ぎる。

原子はほとんど空っぽの構造だが、大きな体積を占める。ボーアの原子模型 [10]では、原子核の半径は原子の半径の約10万分の1と小さい。原子の大きさは確率的に分布する電子雲の広がりだ。

○私は暗黒物質のために新しい構造を提唱したい。この構造は球体をベースとする立体的なものだ。いくつかのモデルが考えられる。(図1参照)
暗黒物質からは電磁波の放出がないことから、近接する暗黒粒子同士は重力を向心力とする単一の軌道をとると考えられる。
銀河団同士の衝突でも暗黒物質の塊はほとんど影響を受けずに通り過ぎることから、暗黒粒子は非常に小さいもので、軌道の半径は非常に大きいものと考えられる。

結晶構造.png

カーボンナノチューブ.png
図1 構造の例[11] [12]

○もしも暗黒物質がこのような立体構造を形成すると仮定した場合には、渦巻き銀河を取り巻く暗黒物質のハローが銀河の10倍ほども広がる巨大な球状構造を持つことを自動的に理解できる。(図2参照)

暗黒物質のハローは最初からその粒子構造の存在を示唆していたのだ。

暗黒物質.gif
図2 True nature of galaxies [13]

○このような暗黒物質の構造を理解することは、暗黒物質の正体解明のカギとなる。

この論文をまとめるにあたって、インターネットの情報、特にGoogleウィキペディアにお世話になった。
また、オーストラリア国立大学のブライアン・シュミット博士とポール・フランシス博士[13]、東京大学の村山斉博士[9]がオンラインで公開されている宇宙論知識に刺激された。

88-4-3 暗黒物質の構造の検証方法:宇宙重力波解析実験
暗黒物質が構造を持つ場合、重力波は特定の角度に強く散乱される。
☆従って、宇宙空間の異なる場所では異なる強さの重力波を観測することになる。


※電子線解析の場合 [14]

88-4-4 超対称性のねじれ [7]
超対称性ではボーズ粒子(力を伝える粒子)が物質粒子となる。

対称性のねじれ.png

<結 論☆>暗黒物質超対称性のボーズ粒子で立体構造を持つ。

88-4-5 暗黒物質ブラックホール
暗黒物質は立体構造を持つことから、物質に比べて、ブラックホールを形成しにくいと推定される。

【参 照】
1. 弾丸銀河団 - Wikipedia 
2. NASA “CHANDRA” 
http://chandra.harvard.edu/photo/2006/1e0657/index.html
3. X線重力レンズでさぐる銀河団山形大学理学部物理学科准教授 滝沢元和
http://ksirius.kj.yamagata-u.ac.jp/~takizawa/danwakai_100618.pdf
4. 石山智明“スーパーコンピューターの中で生まれる宇宙”
https://www.ssken.gr.jp/MAINSITE/download/newsletter/2012/20121024-sci-2/lecture-01/SSKEN_sci2012-2_ishiyama_presentation.pdf
5. 石山智明”世界最大のシミュレーションダークマターの正体にせまる” 2013 -You Tube
https://www.youtube.com/watch?v=QsBiGS2zq-8
6. 国立天文台“宇宙初期から現在に至る世界最大規模のダークマターシミュレーション” 
http://www.astroarts.co.jp/news/2015/05/07simulation/index-j.shtml
7. 蓑輪眞“暗黒物質の正体は何か?”
http://www.resceu.s.u-tokyo.ac.jp/symposium/daigaku&kagaku/MINOWA.pdf
8. 浅井祥仁”「テラスケール物理」領域の概要”
http://www.icepp.s.u-tokyo.ac.jp/terascale/overview.html 
9. 村山斉 “From the Big Bang to Dark Energy” Coursera of The University of Tokyo
https://www.coursera.org/learn/big-bang?utm_campaign=opencourse.bV6GUWEbEeSceSIACy-PDA.opencourse.announcements~opencourse.bV6GUWEbEeSceSIACy-PDA.instructorCourseStart&utm_medium=email&utm_source=other
10. ボーアの原子模型 - Wikipedia 
11.技術情報館 SEKIGIN
http://sekigin.jp/03corro/01metal/00me_basic/me_basic_12.html
12.The Univercity of Arizona
http://news.engr.arizona.edu/news/materials-science-and-engineering-students-win-best-poster-professional-meetings-0
13. edX ” Astrophysics: Cosmology
https://www.edx.org/course/astrophysics-cosmology-anux-anu-astro4x
14. 前野昌弘“量子力学講義ノート”20070210