[論文レビュー] Spontaneous scalarization of neutron stars in teleparallel gravity with derivative torsional coupling

Youcef Kehal, Khireddine Nouicer|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2026

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ひとこと要約

この論文は、スカラー場が物質と捩子を結合するテレプレーン重力モデルにおいて、静的およびゆっくり回転する中性子星解を構築し、有界でEOS依存の自発的スカラー化とその質量-半径関係および慣性モーメントへの影響を明らかにする。

ABSTRACT

We study neutron star configurations in a teleparallel gravity model featuring a scalar field coupled to both matter and torsion. In the Einstein frame, the theory includes a derivative coupling between the scalar field and the torsion vector, together with a conformal matter coupling \(A(ϕ)=\exp(βϕ^{2}/2)\). Static and slowly rotating neutron-star solutions are constructed for realistic equations of state, focusing on the APR and MS1 equations of state. Scalarized solutions appear only within a finite range of central densities and correspond to localized deviations from the general-relativistic mass--radius and mass--central-density relations. The onset and extent of scalarization depend on the equation of state and on the strength of the derivative torsional interaction, which can either enhance or suppress scalarization relative to the general-relativistic scalarized branch. At high central densities, scalarization is quenched and the solutions approach the general-relativistic limit, remaining bounded even for strong torsional couplings. No scalarized solutions are found in the absence of matter coupling (\(β=0\)). The normalized scalar charge follows trends consistent with the global mass relations, indicating an intermediate scalarized regime suppressed at high compactness. For slowly rotating stars, the moment of inertia depends systematically on the torsional coupling and the equation of state, with stiffer equations yielding larger values. These results highlight the potential of neutron-star radius and rotational measurements to test teleparallel scalarization scenarios.

研究の動機と目的

• スカラー場-捻子および物質結合を有するテレプレーン重力モデルにおける中性子星配置の検討。
• 定常・ゆっくり回転するNSにおけるスカラー化の臨界と広がりに対する微分捻子結合と物質結合の影響を解明。
• APRおよびMS1という現実的EOSの違いがスカラー化と恒星特性に及ぼす影響を評価。
• スカラー化が質量–半径、質量–中心密度関係、および慣性モーメントに与える影響を特徴づける。
• NS測定によってテレプレーンスカラー化を検証する観測的署名を特定する。

提案手法

• エインシュタイン枠でのスカラー-捻子作用を仮定し、スカラーと捻子の導関係を含む微分結合と、A(phi)=exp(beta phi^2/2)による形成的物質結合を用いる。
• Hartle–Thorne形式の定常軸対称時空で、静的・ゆっくり回転星の修正TOV様の構造方程式を導出する。
• APRおよびMS1の方程式を用いた場方程式を数値的ショット法で解き、質量・半径・中心密度・スカラー電荷の関係を得る。
• 線形摂動と有効質量m_eff^2を分析し、テータロン的不安定性を介した自発的スカラー化の発現を理解する。
• 導関数捻子結合xiと物質結合betaがスカラー化とスカラー化枝の有界性に与える影響を探る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 テレプレーン重力で導関節捩子結合と物質結合を持つ場合、自発的スカラー化は中性子星に現れるか。
• RQ2 導関節捩子結合xiと物質結合betaは、EOS APRおよびMS1におけるスカラー化の発現、広がり、および抑制にどう影響するか。
• RQ3 GRと比較したとき、質量–半径関係、中心密度閾値、およびスカラー電荷の変化はどのようになるか。
• RQ4 ゆっくり回転（慣性モーメント）はテレプレーン結合とEOSにどう応答するか。
• RQ5 NSの半径と回転測定はテレプレーンスカラー化シナリオを検証できるか。

主な発見

• APRとMS1のEOSのいずれでも、中心密度の有限範囲内でのみスカラー化された中性子星解が存在する。
• スカラー化の閾値と程度は、方程式の状態方程式と導関節結合xiの強さおよび符号に依存する。
• 高い中心密度ではスカラー化は抑制され、解は一般相対論的極限へ近づく。
• スカラー化枝はxiの符号に応じてGR様スカラー化列より上方または下方に位置することがあり、テレプレーン結合による支持の増減を示す。
• 正規化されたスカラー電荷Qと質量–半径関係は、中間的なスカラー化領域を反映し、スカラー二極放射の源となる可能性のあるずれを示す。
• ゆっくり回転の場合、慣性モーメントIは剛性の高いEOSほど系統的に増加し、xiの影響を受け、観測的な検査の可能性を提供する。