[論文レビュー] A new test of the weak equivalence principle on the galaxy level based on observations of binary neutron star merger GW170817

Lulu Yao, Zonghua Zhao+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2019

Nuclear reactor physics and engineering被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、重力波GW170817とその電磁気的対応体を用いて、弱い等価原理（WEP）の精密なテストを提示する。ここでは、ホスト銀河NGC 4993およびミルキーウェイの銀河ポテンシャルを組み込む。NFWおよびHerquistプロファイルを用いてシャピロ遅延をモデル化し、ネイタルキックとハロー質量の不確実性を考慮することで、WEP違反の境界をΔγ < 10⁻⁹（GRB 170817Aと比較）およびΔγ < 10⁻⁴（SSS17aと比較）に達成し、従来の限界を1〜2桁改善する。

ABSTRACT

The successful detection of the binary neutron star (BNS) merger GW170817 and its electromagnetic (EM) counterparts has provided an opportunity to explore the joint effect of the host galaxy and the Milky Way (MW) on the weak equivalence principle (WEP) test. In this paper, using the Navarro$-$Frenk$-$White (NFW) profile and the Herquist profile, we present an analytic model to calculate the galactic potential, in which the possible locations of the source by the observed angle offset and the second supernova (SN2) kick are accounted for. We show that the upper limit of $\Delta \gamma$ is $10^{-9}$ for the comparison between GW170817 and a gamma-ray burst (GRB 170817A), and it is $10^{-4}$ for the comparison between GW170817 and a bright optical transient (SSS17a, now with the IAU identification of AT 2017gfo). These limits are more stringent by one to two orders of magnitude than those determined solely by the measured MW potential in the literature. We demonstrate that the WEP test is strengthened by contribution from the host galaxy to the Shapiro time delay. Meanwhile, we also find that large natal kicks produce a maximum deviation of about $20\%$ to the results with a typical kick velocity 400$\sim$ 500 km s$^{-1}$. Finally, we analyze the impact from the halo mass of NGC 4993 with a typical 0.2 dex uncertainty, and find that the upper limit of $\Delta \gamma$, with a maximum mass $10^{12.4}h^{-1} M_{\odot}$, is nearly two times more stringent than that of the minimum mass $10^{12.0}h^{-1} M_{\odot}$.

研究の動機と目的

• ホスト銀河NGC 4993とミルキーウェイの両方の重力ポテンシャルを組み合わせることで、弱い等価原理（WEP）の制約を強化すること。
• WEPテストフレームワークにおいて、角度オフセットと第2の超新星キックによる源位置の不確実性を考慮すること。
• NGC 4993のネイタルキック速度とハロー質量の不確実性がWEP違反パラメータΔγに与える影響を定量化すること。
• 複数の銀河的ポテンシャルからの共同シャピロ遅延効果を活用して、既存のWEP限界を改善すること。

提案手法

• NGC 4993およびミルキーウェイの質量分布を記述するために、ナヴァルロ＝フレンク＝ホワイト（NFW）プロファイルとヘルクェストプロファイルを用いて銀河ポテンシャルをモデル化すること。
• 観測された角度オフセットと第2の超新星キックを組み込み、WEPテストにおける源位置の不確実性を推定すること。
• ホスト銀河およびミルキーウェイからのシャピロ遅延寄与を計算し、WEP違反の境界に及ぼす共同効果を評価すること。
• GW170817とその電磁気的対応体（GRB 170817AおよびSSS17a）の到着時間差を用いてΔγを制約すること。
• NGC 4993のハロー質量を0.2デシベルの不確実性範囲内で変動させ、Δγの境界が質量の不確実性にどれほど敏感であるかを評価すること。
• ネイタルキック効果を含む・含まない場合を比較し、最終的なΔγ限界に与える影響を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ホスト銀河の重力ポテンシャルを含めることで、ミルキーウェイのポテンシャルのみを用いた場合と比較して、WEP制約はどの程度改善されるか？
• RQ2 第2の超新星キックと源位置の不確実性は、導出されたWEP違反境界Δγにどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 NGC 4993のハロー質量に0.2デシベルの不確実性がある場合、WEP境界はどの程度変動するか？特にその感度は？
• RQ4 ネイタルキック（400–500 km s⁻¹）はWEPテスト結果にどの程度の影響を及ぼし、最大でどの程度のずれを引き起こすか？
• RQ5 GW170817と異なる電磁気的対応体（GRB 170817A 対 SSS17a）との間で、WEP境界はどのように比較されるか？

主な発見

• ホスト銀河NGC 4993とミルキーウェイの両方の重力ポテンシャルを組み込むことで、GRB 170817Aと比較してWEP違反境界Δγが10⁻⁹に改善され、従来の限界を1〜2桁改善した。
• 明るい光学的トランスジェントSSS17a（AT 2017gfo）に対しては、WEP境界がΔγ < 10⁻⁴に達し、これも以前の推定値よりも顕著に厳しくなっている。
• ネイタルキックが400–500 km s⁻¹の場合、通常のキックと比較してWEPテスト結果に最大で約20%のずれが生じる。
• NGC 4993の最大ハロー質量（10¹².⁴ h⁻¹ M☉）の場合、最小質量（10¹².⁰ h⁻¹ M☉）と比較して、Δγの上限がほぼ2倍厳しくなる。これはハロー質量の不確実性の重要性を示している。
• 両方の銀河的ポテンシャルの共同寄与はWEPテストを著しく強化しており、高精度のテストにおいてホスト銀河の効果が無視できないことが示された。
• 結果から、WEPテストは両方の銀河からの共同シャピロ遅延に最も敏感であり、ホスト銀河が制約を厳しくする上で重要な役割を果たしていることが明らかになった。