[論文レビュー] Binary Systems as Test-beds of Gravity Theories

Thibault Damour|ArXiv.org|Apr 5, 2007

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 44被引用数 21

ひとこと要約

本稿では、中性子星またはブラックホールを含むコンパクトな連星系を用いた一般相対性理論および代替重力理論の高精度な検証のための理論的枠組みを提示する。強い場と放射効果をモデル化するためのマルチチャート法を採用することで、この研究は、パulsarタイミングデータがテンソルスカラー重力理論を太陽系実験と同等の精度で制約することを示し、特に太陽系実験では到達できない広範な強場解を除外することを示している。

ABSTRACT

We review the general relativistic theory of the motion, and of the timing, of binary systems containing compact objects (neutron stars or black holes). Then we indicate the various ways one can use binary pulsar data to test the strong-field and/or radiative aspects of General Relativity, and of general classes of alternative theories of relativistic gravity.

研究の動機と目的

• 連星パルサー観測を一般相対性理論および代替重力理論の検証として解釈するための理論的枠組みを構築すること。
• 強い自己重力的コンパクト物体をモデル化する際、従来の単一座標チャート法の限界を扱うこと。
• 連星パルサー系が、太陽系実験では到達できない強場および放射的領域の重力を探査できることを示すこと。
• 二パラメータ族のテンソルスカラー重力理論を制約する連星パルサーデータと太陽系実験の探査能力を比較すること。
• 太陽系の制約と両立するが、太陽系では到達できない強場解をパルサーのデータが除外できることを示し、非摂動的効果に対する独自の感受性を強調すること。

提案手法

• 各コンパクト天体の外部および近傍の時空を記述するために、1つのグローバル座標系と各物体ごとにN個の局所座標系を用いるマルチチャート法を採用する。
• 各物体のグローバルな後ニュートン的展開と局所的な強場解（例えばシュワルツシルト解やカー解）を組み合わせ、運動および重力波放射をモデル化する。
• パルサー信号のタイミングを用いて、重力の速度やエネルギー損失機構に依存する軌道減衰や重力波減衰などの相対論的効果を測定する。
• パrametrized Post-Newtonian（PPN）形式およびテンソルスカラー重力理論への拡張を用い、理論的予測と観測された軌道減衰およびシャピロ遅延を比較する。
• 理論的予測とパルサー（例：PSR J0737−3039 や PSR B1913+16）からの観測データを比較するための適合度統計（例：χ²）を構築する。
• 複数のパルサーからのデータを組み合わせ、太陽系の結果と比較することで、テンソルモノスカラー理論の(α₀, β₀)パラメータ空間への制約をマッピングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして連星パルサー系を一般相対性理論および代替重力理論の強場および放射的側面の検証に用いることができるか？
• RQ2 従来の単一座標チャート法は、コンパクト連星系をモデル化する際にどのような限界を有するのか。また、マルチチャート法はそれらをどのように克服するか？
• RQ3 連星パルサー観測は、太陽系実験と比較して、どの程度テンソルスカラー重力理論を制約するのか？
• RQ4 なぜ連星パルサーのデータは、太陽系実験と両立するが、それらでは到達できない強場解の領域を除外するのか？
• RQ5 非摂動的強場効果は、妥当な重力理論とその代替理論を区別する上で果たす役割は何か？

主な発見

• 連星パルサーのデータは、太陽系実験の多くと同等の精度でテンソルスカラー重力理論を制約し、太陽系実験では到達できない広範な強場解のクラスを除外する。
• 二重連星パルサーPSR J0737−3039は、強場重力の独自の探査手段を提供し、その軌道減衰およびタイミングデータにより相対論的重力の高精度な検証が可能である。
• パルサーの制約は、テンソルモノスカラー理論の(α₀, β₀)パラメータ空間においてβ₀ < -4の領域を除外する。この領域は、弱場領域では強場効果が存在しないため、すべての太陽系実験（Cassiniミッションを含む）と両立可能である。
• すべてのパルサーのデータを統合したグローバルな制約は、PSR J1913+16、PSR J1141−6545、PSR J0737−3039、および再びPSR J1913+16の順序で境界を形成し、一貫性がありきつい制約集合であることを示している。
• Cassini太陽系実験はα₀²（|α₀| < 3.4×10⁻³）に対して最もきつい制約を与えるが、パルサーのデータは−β₀·c_A ≈ 1のとき、非摂動的強場効果を検出できることから、質的に異なる領域を探索する。
• 一般相対性理論は、現在のすべてのデータ（パルサーおよび太陽系実験を含む）と整合的であるが、マルチチャートフレームワークにより、将来的に強場または放射的領域でのずれの検出が可能になる。