[論文レビュー] Misaligned Spin Merging Black Holes in Modified Gravity (MOG)

J. W. Moffat|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 19被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、スカラー場パラメータ $α > 0$ を持つ修正重力（MOG）が、aLIGO観測で示される $χ_{\rm eff} \sim 0$ と整合する、合体する二重ブラックホールにおけるスピンの非一致を自然に予測すると提案している。MOGにおける重力の強化は、$χ_{\rm eff space MOG} = χ_{\rm eff space GR}/(1+\alpha)$ によって有効スピンパラメータを低下させ、合体時のスピンの非一致を引き起こし、観測された重力波データと一致する。

ABSTRACT

A promising signature of coalescing black holes is their spin angular distribution. We consider the aLIGO collaboration gravitational wave measurements of the binary black hole spins and the predicted modified gravity (MOG) preference for misaligned spins of the coalescing black holes. In MOG, during the merger of two black holes, the enhanced strength of gravitation reduces the effective spin parameter $χ_{ m eff}\sim 0$ in agreement with the measured spin misalignment of the merging black holes observed in the gravitational wave detections by the aLIGO collaboration.

研究の動機と目的

• 修正重力（MOG）が、aLIGOが検出した二重ブラックホール合体における観測されたスピンの非一致を説明できるかどうかを調査すること。
• 特に最終合体段階において、一般相対性理論（GR）と比較してMOGにおける有効スピンパラメータ $\chi_{\rm eff}$ がどのように振る舞うかを特定すること。
• GW150914、LVT151012、GW151226、およびGW170104の重力波データから $χ_{\rm eff} \sim 0$ が観測されたことを利用して、MOGパラメータ $\alpha$ を制約すること。
• 強い場の領域におけるブラックホールスピンダイナミクスに、MOGの強化された重力が与える影響を検討すること。

提案手法

• スカラー場パラメータ $α$ を用いた修正された万有引力定数 $G = G_N(1+\alpha)$ を用いて、MOGの有効スピンパラメータ $\chi_{\rm eff\,MOG}$ を導出する。
• 一般相対性理論（GR）の標準的な $\chi_{\rm eff}$ の式を、$1/(1+\alpha)$ によるスピン寄与のスケーリングによってMOGに適応させ、有効スピンを低減する。
• STVG場方程式から導かれるKerr-MOGブラックホール計量を用いて、$α > 0$ のもとでの回転するブラックホールをモデル化する。
• MOGの予測である $χ_{\rm eff space MOG} \sim 0$（$α \gg 0$ の場合）を、aLIGOの4つの検出結果（GW150914、LVT151012、GW151226、GW170104）における観測された $χ_{\rm eff} \sim 0$ と比較する。
• 重力波の歪みからスピンの大きさと向きを推定するために、post-Newtonianおよび波形解析手法を適用する。
• $\alpha$ を自由パラメータとして扱い、MOGの波形と観測されたaLIGOデータとの一致から制約を求める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MOGは、aLIGO観測で示される $χ_{\rm eff} \sim 0$ と整合する、合体する二重ブラックホールにおけるスピンの非一致を予測するか？
• RQ2 MOGにおける有効スピンパラメータ $χ_{\rm eff}$ は、一般相対性理論とどのように異なり、パラメータ $α$ はその役割を果たすか？
• RQ3 MOGフレームワークは、動的形成シナリオを必要とせずに、二重ブラックホール合体における観測された等方的スピン分布を説明できるか？
• RQ4 観測された $χ_{\rm eff} \sim 0$ は、MOGスカラー場パラメータ $α$ の値にどのような制約を課すか？
• RQ5 MOGにおける重力の強化は、スピンパラメータ $a$ およびブラックホールの最終合体ダイナミクスにどのように影響するか？

主な発見

• MOGにおける有効スピンパラメータは、一般相対性理論と比較して $1/(1+\alpha)$ の因子で低減され、$α \gg 0$ の場合に $χ_{\rm eff space MOG} \sim 0$ となり、aLIGOの観測と整合する。
• $\alpha > 0$ の場合、MOGは最終合体段階におけるスピンの非一致を予測し、GW150914、LVT151012、GW151226、GW170104の観測された $χ_{\rm eff} \sim 0$ と一致する。
• 次元なしスピンパラメータ $a_{\rm MOG}$ も同様に $1/(1+\alpha)$ の因子で低減され、MOGにおけるスピンの大きさは一般相対性理論と比較して小さくなる。
• MOGのKerrブラックホール計量は、$\alpha = 0$ のとき標準的なGRのKerr解に還元され、弱い場の極限における一般相対性理論との整合性を確認する。
• MOGは、合体時の強い重力が $G$ を増強させ、スピンの非一致を引き起こし、$χ_{\rm eff}$ がゼロ付近に集まっている観測結果を説明できると予測する。
• このモデルは、合体時における $α > 0$ と、X線連星のような孤立系では $α \sim 0$ であると示唆しており、天体物理学的環境によるスピン整合度の違いを説明できる。