[論文レビュー] Pulsar Radiation and Quantum Gravity

P. Kaaret|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 1999

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 17

ひとこと要約

この論文は、クモの星のガンマ線パルスの正確な到着時刻を用いて、光速のエネルギー依存性を引き起こす可能性のある量子重力効果を制約している。70 MeV から 2 GeV のエネルギー範囲における光子の到着時刻を分析することで、量子重力エネルギー スケールに下限 $1.8 imes 10^{15} ext{GeV}$ を設定した。今後 50–100 GeV のパルスが検出された場合、上限は $1.1 imes 10^{17} ext{GeV}$ まで改善される可能性がある。

ABSTRACT

Quantum gravity may lead to an energy dependence in the speed of light. The high energy radiation from gamma-ray pulsars can be used to place limits on such effects. We find that emission from the Crab pulsar at energies above 2 GeV trails that at 70-100 MeV by no more than 0.35 ms (95% confidence) and place a lower bound on the energy scale of quantum gravitational effects on the speed of light of 1.8 x 10^15 GeV. This bound might be improved by two orders of magnitude by observation of pulsations from the Crab at higher energies, 50-100 GeV, in the near future.

研究の動機と目的

• パルス星からの高エネルギーガンマ線放射を分析することで、量子重力が光子の速度にエネルギー依存性をもたらすかどうかを検証すること。
• パルスの正確なタイミングを用いて、量子重力効果のエネルギー スケール $E_{QG}$ に対する観測的限界を設定すること。
• 今後の高エネルギー帯（50–100 GeV）でのパルス観測を用いた、$E_{QG}$ の制約の改善可能性を評価すること。
• 量子重力に起因する分散と、発光位置や固有の発光時間の変動といった他の要因が引き起こすエネルギー依存性の時間遅れを区別すること。

提案手法

• コンプトンガンマ線宇宙望遠鏡のEGRETデータを用い、源から40°以内のクモの星からのガンマ線光子イベントを抽出した。
• ラジオエフェマリスを用いてパルス位相を特定し、宇宙空間の分散を補正した。補正の精度は約0.2 msと推定された。
• 複数のエネルギー帯（70 MeV から 2 GeV）で、平均光子到着時刻とローレンツ分布フィッティングを用いてパルス到着時刻を測定した。
• 単一パrameterの制約に対して、$\Delta\chi^2 = 1$（68%信頼水準）および $\Delta\chi^2 = 3.84$（95%信頼水準）を用いて時間誤差を計算した。
• 量子重力に起因する時間遅れを $\Delta t = L \Delta E / (c E_{QG})$ とモデル化した。ここで $L$ は距離、$\Delta E$ はエネルギー差である。
• 重力赤方偏移、電磁的分散、発光位置の変動といった系統的誤差を評価し、潜在的な量子重力信号を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クモの星からのガンマ線パルスのタイミングに、量子重力効果に起因するエネルギー依存性の光速変化が検出可能か？
• RQ2 現在のガンマ線タイミングデータから導ける、量子重力エネルギー スケール $E_{QG}$ の最も厳しい下限は何か？
• RQ3 今後の50–100 GeV帯でのパルス観測は、$E_{QG}$ の制約をどのように改善するか？
• RQ4 発光位置の変動や固有の発光時間の変動といった代替要因が、量子重力に起因する時間遅れを模倣または隠蔽する可能性はどの程度か？
• RQ5 複数の天体的源（例：パルス星、AGN、ガンマ線バースト）における時間遅れの整合性が、量子重力効果の証拠を強化するか？

主な発見

• 70 MeV から 2 GeV の間で、パルス到着時刻に統計的に有意なエネルギー依存性は認められず、100–200 MeV帯では95%信頼水準で0.07 msの精度に達した。
• 2 GeV と 70–100 MeV の光子間の時間遅れの上限は95%信頼水準で0.35 msであり、これにより $E_{QG} > 1.8 \times 10^{15}\text{GeV}$ の下限が得られた。
• この制約は、弦理論の予測（$E_{QG}$ が $10^{16} - 10^{18}\text{GeV}$ の範囲にあるとされる）と整合的である。
• 50–100 GeV帯でパルスが0.1 msの精度で検出された場合、$E_{QG}$ の制約は $1.1 \times 10^{17}\text{GeV}$ まで改善される可能性がある。
• 重力赤方偏移や電磁的分散といった系統的誤差は、0.02 msを超える遅れを引き起こす可能性は低く、したがってこの制約を無効にしない。
• 量子重力効果がないと仮定した場合、70–100 MeV 光子の平均発光位置は2 GeV 光子のそれから110 km以内に、0.5–1.0 GeV 光子では50 km以内に位置している必要があると示唆された。