[논문 리뷰] Earthquakes as probing tools for gravity theories

Aleksander Kozak, Aneta Wojnar|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 03.

Geophysics and Gravity Measurements인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 지구의 지진 데이터를 이용해 중력 모델 매개변수를 제약하는 방법을 제시하며, Palatini f(R) 중력, EiBI 중력, DHOST 이론에 대한 2-시그마 경계를 도출한다.

ABSTRACT

We propose a novel method for testing gravity models using seismic data from Earth. By imposing observational constraints on Earth's moment of inertia and mass, we rigorously limit the gravitational models' parameters within a $2σ$ accuracy. Our method constrains the parameters governing additional terms to the General Relativity Lagrangian to the following ranges: $-2 imes10^9\lesssimβ\lesssim 10^9 ext{m}^2$ for Palatini $f(R)$ gravity, $-8 imes10^9\lesssimε\lesssim 4 imes 10^9 ext{m}^2$ for Eddington-inspired Born-Infeld gravity, and $-10^{-3}\lesssimΥ\lesssim10^{-3}$ for Degenerate Higher-Order Scalar-Tensor theories. We also discuss potential avenues to enhance the proposed method, aiming to impose even tighter constraints on gravity models.

연구 동기 및 목표

• 지상 데이터가 아니라 우주론적 관측이 아닌 데이터를 사용해 수정 중력 이론을 테스트하도록 동기를 부여한다.
• 지진으로 얻은 지구 모델과 중력 이론 매개변수에 대한 제약을 연결하는 프레임워크를 개발한다.
• 지구의 질량과 극 모멘트 관성이 특정 중력 모델에서 포아송 방정식에 대한 수정치를 어떻게 제약하는지 정량화한다.
• 방법의 견고성 및 한계를 평가하고 더 강한 경계를 위한 확장 방안을 제시한다.

제안 방법

• 구형 대칭에 대해 밀도 의존 보정 항 alpha(r, rho)가 있는 수정된 포아송 방정식에서 시작한다.
• 비상대론적 hydrostatic equilibrium와 구형 지구 모델 하의 질량 방정식을 적용한다.
• PREM 유사 밀도 프로파일과 Birch’s 법칙을 사용해 압력, 밀도, 지진 매개변수 Phi_s 간의 관계를 정한다.
• β (Palatini f(R)) 및 Υ (DHOST)로 변하는 이론 매개변수에 대해 지구의 질량과 극 모멘트를 계산한다.
• 계산된 M과 I를 관측값과 2-시그마 허용오차로 비교해 매개변수 경계를 도출한다.
• 지구의 밀도 매개변수 불확실성이 제약에 어떤 영향을 미치는지 탐색한다.

Figure 1: [color online] The density profile of the Earth according to the Preliminary Reference Earth Model (PREM) prem ; Kozak:2023axy , which assumes Newtonian gravity. The velocity plots are derived from observational data without incorporating any gravitational theory. The primary waves refer t

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지진으로 얻은 지구 모델이 GR을 넘어서는 포아송 방정식의 추가 중력 항을 제약할 수 있는가?
• RQ2 지구의 질량과 I에서 Palatini f(R) 중력의 beta, EiBI 중력의 epsilon, DHOST 이론의 Upsilon에 대한 2-시그마 경계는 무엇인가?
• RQ3 지구 내부 매개변수의 불확실성이 중력 모델 제약에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Palatini f(R) 중력에서 2-시그마 시 -2×10^9 ≤ beta ≤ 10^9 m^2 이다.
• EiBI 중력에서 2-시그마 시 -8×10^9 ≤ epsilon ≤ 4×10^9 m^2 이다.
• DHOST 이론에서 2-시그마 시 -1×10^-3 ≤ Upsilon ≤ 1×10^-3 이다.
• PREM 유사 밀도 선택에서 지구의 질량과 극 모멘트 제약을 충족할 수 있다.
• 지구 맨틀 밀도 불확실성을 줄이면 중력 모델 경계가 더 촘촘해질 수 있다.

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