[論文レビュー] Monopole radiation in modified gravity

Amol Upadhye, Jason H. Steffen|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2013

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、任意の物質結合強度βを持つ一般化f(R)重力モデルにおけるスカラーモノポール放射を調査し、標準的なβでは脈動星および超新星からのエネルギー損失が無視可能であるが、遮蔽されない環境（例：矮星銀河）ではβ ≤ 100の制約が得られることを示している。研究では非線形シャンデリアン場解を用いてモノポール放射の出力を計算し、コア崩壊型超新星が変動星よりも質量噴出が顕著であるため、より厳しい制約を与えることを明らかにした。

ABSTRACT

Modifications to General Relativity typically introduce a scalar degree of freedom. Experimental constraints require that the "fifth" force produced by this field must be screened in high density environments. An important consequence of the screening mechanism is that the scalar charge of a spherically symmetric expanding or pulsating object, such as a supernova or variable star, is not conserved and monopole radiation can be emitted thereby. We calculate the energy loss rate due to scalar monopole radiation in supernovae and variable stars for a generalized model of f(R) gravity in which the matter coupling strength beta is allowed to be much larger than unity. For models which become screened at the gravitational potential of our galaxy, monopole radiation constraints require beta < 100.

研究の動機と目的

• 一般化f(R)重力モデルにおける変動星およびコア崩壊型超新星のエネルギー損失にスカラーモノポール放射が与える影響を評価すること。
• モノポール放射が既存の星の明るさおよび周期-明るさ関係からの制約に影響を与えるかどうかを特定すること。
• 遮蔽されない環境における超新星からのモノポール放射を用いて、f(R)重力における物質結合強度βの観測的制約を導出すること。
• 特に脈動および爆発段階において、時間変化する星構造における非線形シャンデリアン場応答をモデル化すること。

提案手法

• 星のコアおよびエンベロープを表す静的かつ球対称な物質配置に対して、完全に非線形なシャンデリアン方程式を解く。
• 脈動および爆発のダイナミクスを近似するために、定常密度コアと時間変化する均一なエンベロープを持つ簡略化された星モデルを用いる。
• 場が1/rに比例して減衰する遠方領域におけるスカラー場の摂動を計算し、モノポール放射の出力を決定する。
• 時間変化するスカラー電荷および場勾配を用いて、スカラーモノポール放射からのエネルギー密度および出力損失を導出する。
• 環境スクリーニング効果を評価するため、孤立状態と銀河団環境における場の値を比較し、ϕ ≈ 2βMPlΨenvを用いる。
• 超新星における噴出物の運動エネルギーに比べてモノポールエネルギー損失が小さくなるようにβの制約を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般化f(R)重力における変動星およびコア崩壊型超新星のスカラーモノポール放射によるエネルギー損失率はいかほどか？
• RQ2 物質結合強度βがモノポール放射出力に与える影響は何か、特にβ ≫ 1の場合にどうなるか？
• RQ3 遮蔽されない領域における超新星からのモノポール放射が、f(R)重力モデルの制約に競争的である可能性は？
• RQ4 銀河団における環境スクリーニングは、星からのスカラー場およびモノポール放射にどのように影響を与えるか？
• RQ5 モノポール放射は星の脈動および明るさにどの程度影響を及ぼし、周期-明るさ関係を変化させる可能性があるか？

主な発見

• 変動星におけるモノポール放射出力は、星の明るさの最大で∼10−12β²倍であり、現在の制約に対しては無視可能である。
• コア崩壊型超新星では、モノポールエネルギー損失がβの制約に顕著に寄与する。噴出物の運動エネルギーに比べてエネルギー損失が小さくなるという条件から、β ≲ 100(Ψs/10−6)が得られる。
• 遮蔽されない環境（例：矮星銀河）では、SN1987aはΨs ≳ 10−6のとき遮蔽されないことが推定され、β ≲ 100(Ψs/10−6)の制約が得られる。
• 銀河団における環境スクリーニングはモノポール放射を低下させ、制約を弱めるが、遮蔽されない超新星では制約は依然有効である。
• 遠方領域におけるスカラー場応答は1/rに比例して減衰し、時間変化する摂動を保持するため、場勾配を介したモノポール放射の検出が可能になる。
• 本研究は、モノポール放射が現在の変動星からの制約に影響しないことを確認したが、β > 1の一般化f(R)モデルを制約する有効な道筋を示している。