[논문 리뷰] Comparing solar-system, binary-pulsar, and gravitational-wave tests of gravity

Gilles Esposito-Farèse|ArXiv.org|1999. 03. 15.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 텐서-스칼라 이론 내에서 중력 이론을 검증하기 위해 태양계, 이중 펄서, 중력파 관측의 민감도를 비교한다. 강한장 테스트—특히 이중 펄서 데이터—가 일반 상대성 이론과 약한장 태양계에서 구별되지 않는 대체 중력 이론을 제약함으로써, LIGO/Virgo의 침내 템플릿을 일반 상대성 이론만으로 안전하게 계산할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

This talk is based on my work in collaboration with Thibault Damour. We compare the probing power of different classes of gravity experiments: solar-system tests (weak-field regime), binary-pulsar tests (strong-field regime), and future gravitational-wave observations of inspiralling binaries (strong-field effects detected in our weak-gravitational-field conditions). This is done within the most natural class of alternative theories to general relativity, namely tensor-scalar theories, in which the gravitational interaction is mediated by one tensor field (g_munu) together with one or several scalar fields (phi). Our main conclusion is that strong-field tests are qualitatively different from weak-field experiments: They constrain theories which are strictly indistinguishable from general relativity in the solar system. We also show that binary-pulsar data are so precise that they already rule out the theories for which scalar effects could have been detected with LIGO or VIRGO. This proves that it is therefore sufficient to compute the `chirp' templates within general relativity.

연구 동기 및 목표

• 약한장 태양계 실험, 강한장 이중 펄서 시스템, 향후 중력파 관측이라는 세 가지 다른 중력 검증 영역의 상대적 탐색 능력을 평가하기 위해.
• 특히 텐서-스칼라 이론을 포함한 대체 중력 이론이 이러한 다양한 실험 유형을 통해 일반 상대성 이론과 구별될 수 있는지 평가하기 위해.
• 이중 펄서 관측이 일반 상대성 이론과 태양계에서 구별되지 않는 스칼라 장 효과를 이미 제약하는지 확인하기 위해.
• 강한장 관측에서의 제약을 고려할 때, 일반 상대성 이론 기반 침내 템플릿이 중력파 데이터 분석에 충분한지 확인하기 위해.

제안 방법

• 중력을 한 개의 대칭 텐서 장과 한 개 이상의 스칼라 장이 매개하는 텐서-스칼라 중력 이론을 분석한다.
• 약한장 태양계 검증을 기술하기 위해 매개수 후 뉴턴(PPN) 형식을 사용한다.
• 이중 펄서 시스템에 대해 후 케플러 매개수 분석을 적용하여 궤도 감쇠와 근점의 진동을 집중적으로 다룬다.
• 특히 침내 질량과 위상 분석을 고려하여, 스칼라-텐서 이론의 맥락에서 병합하는 밀도 있는 천체 이중성의 중력파 신호를 평가한다.
• 각 영역에서의 이론적 예측인 스칼라 효과를 헐스-테일러 이중 펄서의 관측 제약과 향후 LIGO/VirGO 감도에 대해 비교한다.
• 수치적 및 해석적 계산을 활용하여 각 테스트 유형에서 스칼라 결합 매개수의 제약을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중 펄서 관측이 태양계에서 일반 상대성 이론과 구별되지 않는 스칼라-텐서 이론을 배제할 수 있는가?
• RQ2 병합 이중성의 중력파 관측이 태양계나 이중 펄서 테스트에 비해 스칼라-텐서 이론의 제약을 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 현재의 이중 펄서 데이터를 고려할 때, 대체 중력 이론이 예측하는 스칼라 효과가 LIGO 또는 VIRGO에 의해 감지될 수 있는가?
• RQ4 이중 펄서 데이터의 정밀도가 일반 상대성 이론 기반 침내 템플릿이 중력파 데이터 분석에 충분하다는 것을 의미하는가?

주요 결과

• 이중 펄서 관측은 스칼라-텐서 이론을 이미 그렇게 제약하여, LIGO나 VIRGO가 설계 감도에 도달하더라도 스칼라 효과를 감지할 수 없도록 한다.
• 강한장 테스트—특히 이중 펄서에서의 테스트—는 일반 상대성 이론과 대체 이론을 구별하는 데 약한장 태양계 테스트보다 정성적으로 더 강력하다.
• 태양계에서 일반 상대성 이론과 관측적으로 구별되지 않는 이론들은 강한장 스칼라 효과로 인해 이중 펄서 데이터에 의해 배제된다.
• 이중 펄서 데이터의 정밀도는 스칼라 장 보정 없이도 일반 상대성 이론 내에서 중력파 침내 템플릿을 계산하는 데 충분하다는 것을 의미한다.
• 이중 펄서 데이터에서의 제약은 매우 엄격하여, 향후 LIGO 또는 VIRGO의 중력파 관측에서 스칼라 효과를 감지할 가능성은 배제된다.