[論文レビュー] Astrophysical Tests of Modified Gravity

Jeremy Sakstein|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2015

Geophysics and Gravity Measurements被引用数 14

ひとこと要約

本学位論文は、太陽系の制約をスクリーニング機構によって回避するチャメレオン型の修正重力理論を、スクリーニングされていない天体的系——特に恒星や距離標準としての天体（セフェイド星、赤クラウド星、水メーザー）——を用いて検証することを提案する。修正重力下での星の構造をモデル化し、異なる方法から推定される距離を比較することで、著者はこれまでにない最も厳しい制約を提示し、従来の限界を3桁改善する。

ABSTRACT

Chameleon and similar (symmetron and dilation) theories of gravity can exhibit new and interesting features on cosmological scales whilst screening the modifications on small scales thereby satisfying solar system tests of general relativity. This thesis explores the regime between these two scales: astrophysics. The majority of this thesis is focused on discerning new and novel astrophysical probes of chameleon gravity in the form of stellar structure and oscillation tests. These are used to place new constraints on the theory parameters and the implications of these are discussed, as are the future prospects for improving them using planned future surveys. The final two chapters review supersymmetric completions of these theories.

研究の動機と目的

• 銀河的・宇宙的スケールの間のやや非線形な領域で動作する修正重力の天体的プローブを開発すること。
• 太陽系の制約を回避するが、スクリーニングされていない天体的環境に痕跡を残す可能性があるスクリーニングされた修正重力理論を検証する課題に取り組むこと。
• スクリーニングされていない銀河における重力に敏感な距離標準と重力に不感な距離標準の距離測定を比較することで、モデルパラメータの制約を改善すること。
• 修正重力下での星の安定性および振動特性を調査し、新たな観測可能なシグネチャーを同定すること。
• 修正重力モデルの超対称的完成形を検討し、量子的および宇宙論的制約下での妥当性を評価すること。

提案手法

• 物質への共形的カップリングを持つスカラー・テンソル理論における修正された流体力学方程式を導出し、チャメレオン、シンメトロン、環境依存効果などのスクリーニング機構を組み込む。
• 修正重力下での平衡星構造方程式を解き、追加の内向き力により核燃焼が促進されるため、スクリーニングされていない星はスクリーニングされたものよりも高温で明るいと示す。
• 脈動星（セフェイド星、赤巨星の端点）、水メーザー、重力に不感な方法から推定される距離を比較し、重力則の不一致を検出する。
• 修正重力流体力学方程式を一次に摂動し、星の脈動に関する振動方程式を導出し、従来の推定値よりも短い周期が得られることを示す。
• チャメレオンモデルのグローバル超対称性埋め込みを構築し、環境密度による自発的超対称性の破れと超重力補正を分析する。
• 超対称的モデルにおけるファヤ・イリオプーロス項を用いた遅い時空の宇宙定数の出現を検討し、パラメータ空間への影響を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スクリーニングされていない銀河内の星は、距離標準の不一致を通じて修正重力の検証に使えるか？
• RQ2 修正重力効果は、一般相対性理論と比較して星の平衡構造および脈動特性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 超対称的完成形は、チャメレオン型の修正重力モデルの妥当性およびパラメータ空間にどのような意味を持つか？
• RQ4 ヴァインシュタイン機構が脈動星からの検出可能なスカラー放射を引き起こす可能性はあり、これによりこれらの理論に対する新たなプローブが得られるか？
• RQ5 超重力補正および遅い時空の宇宙定数項は、超対称的修正重力モデルのパラメータ空間にどのような制約を課えるか？

主な発見

• 本研究は、距離標準の比較を用いて、チャメレオン型の修正重力モデルに対するこれまでで最も厳しい制約を提示し、従来の限界を3桁改善した。
• スクリーニングされていない星は、追加の内向き力により核燃焼率が上昇するため、スクリーニングされた星と比較してより高温で明るくなると予測される。
• スクリーニングされていない星の振動周期は、従来の推定値よりも顕著に短く、既存の脈動データがすでに制約の改善に利用可能である可能性を示唆する。
• 分析により、超対称的チャメレオンモデルにおける超重力補正が、天体的および実験的テストが不可能になるレベルまでパラメータ空間を制限することが判明した。
• 超対称的チャメレオンモデルは背景レベルではΛCDMと区別がつかないが、寒冷ダークマターパワースペクトルにずれを示す可能性があり、近い将来の調査でテスト可能である。
• 惑星状星雲の明るさ関数は、スクリーニングされていない距離標準として機能しうる。これは、包層がスクリーニングされていないのに対し、核はスクリーニングされているため、明るさ関数が小さくなる可能性がある。