[論文レビュー] Comparing solar-system, binary-pulsar, and gravitational-wave tests of gravity

Gilles Esposito-Farèse|ArXiv.org|Mar 15, 1999

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、テンソルスカラー理論における重力の検証に関して、太陽系、連星パルサー、重力波観測の感度を比較する。強力場のテスト、特に連星パルサーのデータが、弱力場の太陽系では一般相対性理論と区別がつかない代替重力理論を制限することを示しており、LIGO/Virgoのチルプテンプレートを一般相対性理論のみで安全に計算できることを証明している。

ABSTRACT

This talk is based on my work in collaboration with Thibault Damour. We compare the probing power of different classes of gravity experiments: solar-system tests (weak-field regime), binary-pulsar tests (strong-field regime), and future gravitational-wave observations of inspiralling binaries (strong-field effects detected in our weak-gravitational-field conditions). This is done within the most natural class of alternative theories to general relativity, namely tensor-scalar theories, in which the gravitational interaction is mediated by one tensor field (g_munu) together with one or several scalar fields (phi). Our main conclusion is that strong-field tests are qualitatively different from weak-field experiments: They constrain theories which are strictly indistinguishable from general relativity in the solar system. We also show that binary-pulsar data are so precise that they already rule out the theories for which scalar effects could have been detected with LIGO or VIRGO. This proves that it is therefore sufficient to compute the `chirp' templates within general relativity.

研究の動機と目的

• 弱力場の太陽系実験、強力場の連星パルサー系、および将来の重力波観測という3つの異なる重力テスト領域の相対的な探査能力を評価すること。
• 特にテンソルスカラー理論を含む代替重力理論が、これらの異なる実験クラスによって一般相対性理論と区別可能かどうかを評価すること。
• 連星パルサー観測が、地上の重力波干渉計（LIGO や VIRGO など）で検出可能となるはずのスカラー場効果を既に制限しているかどうかを特定すること。
• 強力場の観測による制約を踏まえて、重力波データ解析における一般相対性理論に基づくチルプテンプレートの十分性を確立すること。

提案手法

• 重力が1つの対称テンソル場と1つ以上のスカラー場によって媒介されるテンソルスカラー重力理論を分析する。
• 弱力場の太陽系実験を特徴付けるために、パラメータ化された後ニュートン的（PPN）形式を用いる。
• 連星パルサー系に対して、ポストケプラー（post-Keplerian）パラメータ解析を適用し、軌道の崩壊と近日点進動に注目する。
• 特にチルプマスと位相の観点から、スカラー-テンソル理論における連星コンパクト天体の合体からの重力波信号を評価する。
• 各領域におけるスカラー効果の理論的予測を、Hulse-Taylorの連星パルサーからの観測的制約と、将来のLIGO/VirGOの感度と比較する。
• 数値的および解析的計算を用いて、各テストクラスから得られるスカラー結合パラメータの制約を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽系では一般相対性理論と区別がつかないテンソルスカラー理論が、連星パルサー観測によって除外可能か？
• RQ2 連星コンパクト天体の重力波観測が、太陽系や連星パルサーのテストに比べて、テンソルスカラー理論に対する制約をどの程度改善するか？
• RQ3 現在の連星パルサーデータを踏まえると、代替重力理論が予測するスカラー効果は、LIGO や VIRGO で検出可能か？
• RQ4 連星パルサーの測定精度が、一般相対性理論に基づくチルプテンプレートが重力波データ解析に十分であることを示唆しているか？

主な発見

• 連星パルサー観測が、既にスカラー-テンソル理論を制限しており、LIGO や VIRGO が設計感度に達したとしても、スカラー効果は検出不可能である。
• 太陽系の弱力場テストに比べ、連星パルサーのような強力場のテストは、一般相対性理論と代替理論を区別する上で質的により強力である。
• 太陽系では一般相対性理論と観測的に区別がつかない理論も、強力場におけるスカラー効果のため連星パルサーのデータによって除外される。
• 連星パルサーの測定精度から、重力波チルプテンプレートを一般相対性理論内でのみ計算すれば十分であることが示唆される。
• 連星パルサーのデータによる制約は非常にきついため、将来的なLIGOやVIRGOによる重力波観測でスカラー効果を検出する可能性は排除される。