[論文レビュー] Improved Bounds on Violation of the Strong Equivalence Principle

Zaven Arzoumanian|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2002

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、20年間のタイミングデータを用いて、強等価原理（SEP）の破れに対する改善された制約を提示する。軌道の崩壊が観測されないことに基づき、2σの上限として |Ṗb/Pb| < 1.0×10⁻¹⁰ yr⁻¹ が得られ、Brans-Dicke理論における ωBD > 320 の下限が導かれる。これは、双極子重力放射とSEP破れに関する既存の制約を顕著に強化するものである。

ABSTRACT

I describe a unique, 20-year-long timing program for the binary pulsar B0655+64, the stalwart control experiment for measurements of gravitational radiation damping in relativistic neutron-star binaries. Observed limits on evolution of the B0655+64 orbit provide new bounds on the existence of dipolar gravitational radiation, and hence on violation of the Strong Equivalence Principle.

研究の動機と目的

• 相対論的連星パルサー系において双極子重力放射の有無を探索することで、強等価原理（SEP）を検証すること。
• PSR B0655+64の長期的タイミング安定性を活用し、特にBrans-Dicke理論を含む代替重力理論に対する既存の制約を改善すること。
• 双極子放射の存在を制約すること。これはSEPの破れを示唆し、代替重力モデルにおけるスカラー場結合が非ゼロであることを意味する。
• 今後、新しい連星系が発見される中で、相対論的中性子星-白色矮星連星が、基礎的重力理論の探査に果たす可能性を評価すること。

提案手法

• PSR B0655+64に対して20年間のタイミング計画を実施し、電波望遠鏡を用いて高精度でパルス到着時刻を測定した。
• 全データセットに対して、回転・天球測定・軌道パラメータをフィットするため、Tempoソフトウェアパッケージとell1二重星タイミングモデルを適用した。
• 観測された軌道周期の時間変化率（Ṗb/Pb）を用いて、四重極および双極子重力放射の寄与、重力定数Gの時間変化、相対加速度効果の寄与を制約した。
• 系統的タイミング誤差を補正するため、新しい自明運動測定（μ = 6.8 ± 1.1 mas yr⁻¹）を用いて、Shklovskii効果と銀河境界加速度を考慮した。
• 中性子星に対してs = 0.2、白色矮星に対して感度が無視できるほど小さいと仮定し、双極子放射の理論的予測を計算した。
• Brans-Dicke理論および他のスカラー・テンソル理論からの理論的予測と観測された軌道進化の制約を比較し、ωBDおよびκD G⁻²の制約を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PSR B0655+64における軌道崩壊の速度の上限は何か？ これは双極子重力放射をどのように制約するか？
• RQ2 B0655+64の軌道の観測された安定性は、強等価原理からのずれをどの程度制約するか？
• RQ3 タイミング測定は、以前のパルサー実験や太陽系実験と比較して、Brans-DickeパラメータωBDの既存の制約をどの程度改善するか？
• RQ4 このNS-WD連星系における軌道崩壊の不在は、顕著な双極子放射を除外できるか？ これは代替重力理論にどのような意味を持つのか？
• RQ5 より短い周期を示す近いNS-WD連星が今後発見された場合、SEP破れの制約をさらに厳しくできる可能性は何か？

主な発見

• 観測された軌道周期の時間変化率はゼロと整合的であり、軌道崩壊の速度に対する2σ上限として |Ṗb/Pb| < 1.0×10⁻¹⁰ yr⁻¹ が得られた。
• 検出可能な軌道進化の不在は、双極子放射の強度に対する制約を示す：2σ信頼水準で κD G⁻² < 0.006 (s/0.2)⁻² である。
• Brans-Dicke理論において、これは2σで ωBD > 320 (s/0.2)² の下限をもたらし、s = 0.2 のとき ωBD > 320 に相当する。
• ωBDに対する制約は、以前の二重パルサーからの最良の制約のおよそ7倍も厳しく、太陽系の制約と同等の水準に達している。
• PSR B0655+64は、相対的に長い軌道周期を有するものの、依然としてSEPの検証に適した強固で感受性の高い実験室であると確認された。
• 今後、より近い、周期の短いNS-WD連星が発見されれば、双極子放射およびSEP破れに関する制約をさらに強化できると予想される。