[論文レビュー] Tests of Classical Gravity with Radio Pulsars

Zexin Hu, Xueli Miao+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 129被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、准定常な強場重力における一般相対性理論を検証する道具としてパルサー時刻測定を教育的に総括し、Hulse–Taylor、ダブル、トリプルパルサーを用い、中性子星の構造と修正重力の制約を論じる。

ABSTRACT

Tests of gravity are important to the development of our understanding of gravitation and spacetime. Binary pulsars provide a superb playground for testing gravity theories. In this chapter we pedagogically review the basics behind pulsar observations and pulsar timing. We illustrate various recent strong-field tests of the general relativity (GR) from the Hulse-Taylor pulsar PSR B1913+16, the double pulsar PSR J0737$-$3039, and the triple pulsar PSR J0337+1715. We also overview the inner structure of neutron stars (NSs) that may influence some gravity tests, and have used the scalar-tensor gravity and massive gravity theories as examples to demonstrate the usefulness of pulsar timing in constraining specific modified gravity theories. Outlooks to new radio telescopes for pulsar timing and synergies with other strong-field gravity tests are also presented.

研究の動機と目的

• 太陽系質量中心（Solar System Barycentre）フレームでのパルサー時刻測定の基本とTOAのモデリング方法を説明する。
• 二元パルサーのDamour-Deruelleパラメトリゼーション後Kepler（DD-PPK）形式を説明する。
• GR特有のPPKパラメータが中性子星質量を制約し、強場における重力を検証する方法を示す。
• 中性子星の内部構造とスピン効果がスカラー-テンソル理論や質量重力の例を用いて重力検証に与える影響を示す。
• 新しいラジオ望遠鏡の導入と他の強場重力検証との相乗効果を含む将来展望を概説する。

提案手法

• パルサー時刻測定とISMsにおける分散効果を導入し、TOAの形成を説明する。
• DD時刻モデルと相対論的軌道効果を記述するPPKパラメータを提示する。
• GRのPPKパラメータの式を提供し、縮退と代替パラメータ化（例: h3, h4）を検討する。
• 測地進行および軌道進行の説明と、それらが中性子星の慣性モーメントと方程式状態に及ぼす影響を議論する。
• 計測されたPPKパラメータを用いた質量–質量図を通じた自己一貫性チェックを示す。
• 良く研究された系からの時刻データが重力理論を検証し、修正重力モデルを制約する方法を論じる。

Figure 1: The period–period derivative diagram for pulsars Manchester:2005 . The black dots are pulsars with pulsed emission in the radio band and the red circles mark binary systems. We also denote “AXP” for systems that are anomalous X-ray pulsars or soft $\gamma$ -ray repeaters, “RRAT” for system

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRは準定常強場領域におけるパルサー二体動力学をどれだけ正確に記述しているか？
• RQ2 パルサー時刻測定はGRを検証しNS特性を制約するためにPPKパラメータを十分な精度で測定できるか？
• RQ3 スピン-軌道結合と測地進行が重力検証とNS方程式状態方程式に与える影響は何か？
• RQ4 代替重力理論はパルサー時刻測定観測にどのように現れ、どんな制約が課されるか？

主な発見

• GRの予測は、検証されたパルサー系に対して報告された不確実性の範囲内で観測と一致する。
• PSR B1913+16では、固有の軌道減衰率がShklovskii補正と銀河補正の後、GRと一致する誤差が約10^3のオーダー内である。
• PSR J0737−3039A/Bでは、複数の独立した検証（dot omega、gamma、dotP_b、Shapiroパラメータ）がGRと一致する。誤差は約10^3のオーダー内。
• 質量–質量図は不確実性の範囲内でPPK曲線が交差することを示し、強場条件でのGRを支持する。
• 測地進行は一部の系で検出されており、スピン-軌道結合の検証やNS EOSへの示唆を可能にしている。
• 時刻測定枠組みはPPKパラメータのパラメトリック偏差を介して修正重力理論を探索することを可能にする。

Figure 2: Stack of 100 single pulses from PSR J2222 $-$ 0137, observed with the FAST telescope Miao:2023gkr . The line in the top is the integrated profile of these 100 pulses.