[論文レビュー] Testing the gravitational theory with short-period stars around our Galactic Center

Aurélien Hees, A. M. Ghez+20 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 10被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、銀河中心の超大質量ブラックホールの近くで19年間にわたり高精度で観測された短周期星S0-2およびS0-38を用いて重力理論を検証する。仮説的な第五力の制約を課し、S0-2の相近日点の相対論的進みの上限を設定するとともに、2018年の最適な観測によって、相対性理論の強い場における予測を確認する、初の直接測定が可能になることを示している。

ABSTRACT

Motion of short-period stars orbiting the supermassive black hole in our Galactic Center has been monitored for more than 20 years. These observations are currently offering a new way to test the gravitational theory in an unexplored regime: in a strong gravitational field, around a supermassive black hole. In this proceeding, we present three results: (i) a constraint on a hypothetical fifth force obtained by using 19 years of observations of the two best measured short-period stars S0-2 and S0-38 ; (ii) an upper limit on the secular advance of the argument of the periastron for the star S0-2 ; (iii) a sensitivity analysis showing that the relativistic redshift of S0-2 will be measured after its closest approach to the black hole in 2018.

研究の動機と目的

• 超大質量ブラックホールの近傍における強い重力場領域で、一般相対性理論および代替重力理論を検証すること。
• 短周期星の軌道力学を用いて、仮説的な第五力の存在を制約すること。
• S0-2の近日点引数の長期的進みの上限を設定し、相対論的および天体物理学的モデルに関連付けること。
• S0-2が2018年にブラックホールに最も近づく際の相対論的赤方偏移を検出するための最適な観測戦略を設計すること。
• 今後のイベントホライズン望遠鏡などの装置による補完的強力場重力検証を提供すること。

提案手法

• KeckおよびVLT望遠鏡の19年間にわたる径方向速度および天球測位データを用いて、S0-2およびS0-38の共同軌道フィットを実施した。
• ニュートン重力のヤクーポ型修正を用いて重力ポテンシャルをモデル化した：$ U = \frac{GM}{r}\left[1 + \alpha e^{-r/\lambda}\right] $、ここで$\alpha$および$\lambda$は自由パラメータである。
• 絶対基準フレームにおける系統的不確実性を推定するためにジャックナイフリサンプリングを適用し、制約の頑健性を向上させた。
• 径方向速度への相対論的赤方偏移寄与を$[RV]_{\text{rel}} = \frac{v^2}{2c} + \frac{GM}{rc}$でモデル化し、一般相対性理論からのずれをテストするための次元なしスケーリングパラメータ$\Upsilon$を導入した。
• 相対論的赤方偏移検出の信号対雑音比を最大化するための最適な観測時刻（径方向速度曲線の折り返し点）を特定するための適応的スケジューリングツールを開発した。
• ベイズフレームワークを用いて、$|\alpha|$および$|\dot{\omega}|$の95％信頼区間上限を計算し、$\Upsilon$フィット結果の有意性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河中心の超大質量ブラックホールの近傍における強い重力場で、仮説的な第五力の強さの上限は何か？
• RQ2 S0-2の近日点引数の長期的進みはどの程度まで大きくなり得るのか？ これは相対論的および代替重力モデルに何を示唆するか？
• RQ3 S0-2の2018年の最近点通過時に相対論的赤方偏移を測定可能か？ そして、検出感度を最大化する観測戦略は何か？
• RQ4 太陽系および連星パルサーのテストと比較して、銀河中心の観測は、修正重力理論のパrameter空間をどの程度よく探査できるか？
• RQ5 代替重力理論におけるスクリーニング機構は、銀河中心環境におけるずれの検出可能性にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• 95％信頼区間における第五力の強さの上限は$|\alpha| < 0.016$であり、長さスケール$\lambda \sim 150$天文単位で、強い場の領域における顕著な制約である。
• S0-2の近日点引数の長期的進みに対する上限は$|\dot{\omega}_{\text{S0-2}}| < 1.7 \times 10^{-3}$ rad/yrであり、一般相対性理論の予測値$1.6 \times 10^{-4}$ rad/yrよりも1桁大きい。
• S0-2の径方向速度における相対論的赤方偏移寄与は、近日点近くで最大200 km/sに達し、高精度分光法で測定可能な効果である。
• 適応的観測スケジューリングツールは、径方向速度曲線の折り返し点を、相対論的赤方偏移検出の最適な時刻として特定し、十分なデータがあれば信号対雑音比が5σを超えることを保証する。
• 現在のデータは一般相対性理論とすでに整合しており、ニュートンモデルは1.2σの有意性で除外され、相対論的予測への初期の整合性を示している。
• 本研究は、S0-2のような短周期星が、将来的なイベントホライズン望遠鏡観測と補完的となる、強い場における重力の独自の実験室を提供することを示している。