[論文レビュー] Dark Energy after GW170817

Paolo Creminelli, Filippo Vernizzi|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2017

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、重力波速度が光速から$10^{-15}$未塔に逸脱しないGW170817の制約が、暗黒エネルギーのスカラータンス理論に厳しい制約を課すことを示している。四次および五次のホルンデシュキー理論を超えた理論において、唯一の有効結合関数が残ると示され、ホルンデシュキー理論では共形結合に還元されるが、量子補正においても微調整を必要としない。

ABSTRACT

The observation of GW170817 and its electromagnetic counterpart implies that gravitational waves travel at the speed of light, with deviations smaller than a few $ imes 10^{-15}$. We discuss the consequences of this experimental result for models of dark energy and modified gravity characterized by a single scalar degree of freedom. To avoid tuning, the speed of gravitational waves must be unaffected not only for our particular cosmological solution, but also for nearby solutions obtained by slightly changing the matter abundance. For this to happen the coefficients of various operators must satisfy precise relations that we discuss both in the language of the Effective Field Theory of Dark Energy and in the covariant one, for Horndeski, beyond Horndeski and degenerate higher-order theories. The simplification is dramatic: of the three functions describing quartic and quintic beyond Horndeski theories, only one remains and reduces to a standard conformal coupling to the Ricci scalar for Horndeski theories. We show that the deduced relations among operators do not introduce further tuning of the models, since they are stable under quantum corrections.

研究の動機と目的

• GW170817の重力波速度制約がスカラータンス理論の暗黒エネルギーに与える影響を理解すること。
• 宇宙論的解において重力波の速度がcに保たれるようにするために、暗黒エネルギーの有効場理論におけるどの項を抑制する必要があるかを特定すること。
• 量子補正の下でも理論の単純化が安定しており、微調整を回避できることを示すこと。

提案手法

• 単一のスカラートリビューション自由度を持つスカラータンスモデルを分析するため、暗黒エネルギーの有効場理論を適用する。
• 重力波が光速で伝播することを保証するGW170817の制約を用いて、高次項の係数を制約する。
• ホルンデシュキー理論、ホルンデシュキー理論を超えた理論、および退化した高次スカラータンス理論を、有効場理論的および共変形式の両方で分析する。
• 近傍の宇宙論的解において重力波の速度がcに保たれるようにするための、項の係数の正確な関係を導出する。
• 四次および五次のホルンデシュキー理論を超えた理論において、残存する理論が唯一の関数に還元され、ホルンデシュキー理論では共形結合に相当することを示す。
• 残存する関係が量子補正の下でも安定しており、追加の微調整を必要としないことを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカラータンス理論における高次項のどの組み合わせが、GW170817による重力波速度制約と整合するか？
• RQ2 GW170817の制約は、ホルンデシュキー理論を超えた理論における自由関数の数にどのように影響するか？
• RQ3 単純化された理論が、有効場理論的および共変形式の両方から一貫して導けるか？
• RQ4 唯一の結合関数への還元が、量子補正の下で新たな微調整問題を引き起こすか？
• RQ5 これらの制約の下で、ホルンデシュキー理論において共形結合が唯一の妥当な形か？

主な発見

• GW170817の制約により、四次および五次のホルンデシュキー理論を超えた理論における3つの関数のうち、唯一の有効結合関数を除き、残りがすべて消える。
• この残存する関数は、ホルンデシュキー理論の場合、リッチスカラーへの標準的な共形結合に還元される。
• 残存する理論は量子補正の下でも安定であり、重力波の速度をcに保つために追加の微調整は不要である。
• 制約は背景解に限らず、わずかに異なる物質密度を持つ近傍解に対しても適用可能であり、強靭性が保証される。
• 項の係数の正確な関係が、宇宙論的背景において重力波の速度をcに保つために必要かつ十分である。