[論文レビュー] Neutron Stars in Scalar-tensor Gravity with Higgs Scalar Potential

Sergei D. Odintsov, V. K. Oikonomou|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、スカラー・テンソル重力理論における中性子星を、ヒッグススカラーポテンシャルをスカラーフィールドとして用いて調査し、分(piecewise)ポリトropic状態方程式（SLy、APR、WFF1）を用いて、エインシュタイン枠組みにおけるトゥルマン＝オッペンハイマーヴォルコフ方程式を導出し、数値的に解いた。その結果、一般相対性理論ではすでに除外されていたWFF1状態方程式が、この枠組みでは物理的に妥当となり、GW170817の制約と整合する中性子星の質量-半径関係をもたらすことが明らかになった。

ABSTRACT

The Higgs scalar which is the only experimentally verified fundamental cosmological scalar, is also known to produce a viable inflationary phenomenology. In this work we investigate the effects of the Higgs model on static neutron stars. Particularly we derive the Einstein frame Tolman-Oppenheimer-Volkoff equations, and by numerically integrating them for both the interior and the exterior of the neutron star, using a double shooting python 3 based numerical code, we extract the masses and radii of the neutron stars, along with the several other related physical quantities of interest. With regard to the equation of state for the neutron star, we use a piecewise polytropic equation of state with the central part being SLy, APR or the WFF1 equations of state. The resulting $M-R$ graphs are compatible with the observational bounds imposed by the GW170817 event which require the radius of a static $M\sim 1.6 M_{\odot}$ neutron star to be larger than $R=10.68^{+15}_{-0.04}$km and the radius of a static neutron star corresponding to the maximum mass of the star to be larger than $R=9.6^{+0.14}_{-0.03}$km. Moreover, the WFF1 EoS, which was excluded for static neutron stars in the context of general relativity, for the Higgs neutron star model provides realistic results compatible with the GW170817 event.

研究の動機と目的

• ヒッグススカラーポテンシャルがスカラー・テンソル重力理論における中性子星構造に与える影響を検討すること。
• スカラー・テンソル重力理論にヒッグススカラーポテンシャルを含む中性子星のエインシュタイン枠組みにおけるトゥルマン＝オッペンハイマーヴォルコフ方程式を導出し、解くこと。
• 一般相対性理論ではすでに除外されていたが、本フレームワークでは物理的に妥当となる可能性がある、WFF1などの状態方程式が実際に成立するかどうかを評価すること。
• 予測された質量-半径関係を、GW170817イベントからの観測的制約と比較すること。
• ヒッグス媒介のスカラー・テンソル重力理論が、現在の中性子星観測データと整合するかどうかを特定すること。

提案手法

• スカラー・テンソル重力理論にヒッグススカラーポテンシャルを含む中性子星のエインシュタイン枠組みにおけるトゥルマン＝オッペンハイマーヴォルコフ方程式を導出する。
• Python 3で実装されたダブルシューティング法を用いて、中性子星内部および外部にわたり方程式を数値的に統合する。
• 分(piecewise)ポリトropic状態方程式（SLy、APR、WFF1）を用いて、中性子星物質をモデル化する。
• スカラー・テンソルフレームワークにおける重力作用にスカラーフィールドの寄与としてヒッグスポテンシャルを適用する。
• 計量およびスカラーフィールドのプロファイルを求めるために、微分方程式の結合系を解き、物理的観測量を決定する。
• 数値解から質量および半径を計算し、GW170817の観測的制約と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒッグススカラーポテンシャルの導入が、スカラー・テンソル重力理論における中性子星の質量-半径関係にどのように影響を与えるか？
• RQ2 一般相対性理論ではすでに除外されていたWFF1状態方程式が、このスカラー・テンソルモデルにおいても一貫した結果をもたらすか？
• RQ3 予測されたM-R関係が、GW170817イベントからの制約をどの程度満たすか？
• RQ4 異なる状態方程式（SLy、APR、WFF1）が、同一のスカラー・テンソルフレームワーク下でどのように性能を発揮するか？
• RQ5 ヒッグススカラーフィールドは、一般相対性理論を越えて中性子星構造をどのように変化させるか？

主な発見

• ヒッグススカラーポテンシャルにより、物理的に妥当な結果が得られるスカラー・テンソル重力理論における中性子星の記述が可能になった。
• 一般相対性理論ではすでに除外されていたWFF1状態方程式が、本モデルではGW170817の制約と整合する質量-半径関係を生成する。
• 1.6 M☉の中性子星の予測半径は10.68 kmを超えており、GW170817からの下限制約を満たしている。
• 最大質量の中性子星の半径は9.6 kmより大きいと予測され、観測的限界と整合している。
• 本モデルは、重力波およびX線観測からの現在の観測データと定量的に整合する質量-半径関係を生成する。
• 数値解は、ヒッグスポテンシャルを含むスカラー・テンソルフレームワークが、中性子星構造に対して安定で物理的に整合性を持つことを確認している。