[논문 리뷰] Misaligned Spin Merging Black Holes in Modified Gravity (MOG)

J. W. Moffat|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 15.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 19인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 수정 중력(MOG)이 스칼라 장 매개변수 $\alpha > 0$를 가질 경우, aLIGO 관측 결과에서 $\chi_{\rm eff} \sim 0$를 보여주는 병합 이중 블랙홀에서 비일치하는 스핀을 자연스럽게 예측한다고 제안한다. MOG에서 강화된 중력은 $\chi_{\rm eff\,MOG} = \chi_{\rm eff\,GR}/(1+\alpha)$ 방식으로 효과적 스핀 매개변수를 감소시켜, 관측된 중력파 데이터와 일치하는 병합 시 스핀 비일치를 유도한다.

ABSTRACT

A promising signature of coalescing black holes is their spin angular distribution. We consider the aLIGO collaboration gravitational wave measurements of the binary black hole spins and the predicted modified gravity (MOG) preference for misaligned spins of the coalescing black holes. In MOG, during the merger of two black holes, the enhanced strength of gravitation reduces the effective spin parameter $χ_{ m eff}\sim 0$ in agreement with the measured spin misalignment of the merging black holes observed in the gravitational wave detections by the aLIGO collaboration.

연구 동기 및 목표

• 수정 중력(MOG)이 aLIGO가 관측한 이중 블랙홀 병합에서 관측된 스핀 비일치를 설명할 수 있는지 조사하기.
• 특히 최종 병합 단계에서 일반 상대성 이론(GR)과 비교하여 MOG에서 효과적 스핀 매개변수 $\chi_{\rm eff}$의 행동 방식을 규명하기.
• GW150914, LVT151012, GW151226 및 GW170104에서 관측된 $\chi_{\rm eff} \sim 0$의 중력파 데이터를 사용하여 MOG 매개변수 $\alpha$를 제약 조건에 둔다.
• 강한장 영역에서 블랙홀 스핀 역학에 대한 MOG의 강화된 중력의 영향을 탐색하기.

제안 방법

• 스칼라 장 매개변수 $\alpha$를 가진 수정 중력상수 $G = G_N(1+\alpha)$를 사용하여 MOG의 효과적 스핀 매개변수 $\chi_{\rm eff\,MOG}$를 유도한다.
• 스핀 기여를 $1/(1+\alpha)$로 스케일링함으로써 일반 상대성 이론의 표준 GR 표현식을 MOG에 적응시켜 효과적 스핀을 감소시킨다.
• STVG 장 방정식에서 유도된 Kerr-MOG 블랙홀 계량을 사용하여 $\alpha > 0$ 조건에서 스핀하는 블랙홀을 모델링한다.
• MOG 예측값인 $\chi_{\rm eff\,MOG} \sim 0$가 $\alpha \gg 0$일 때 aLIGO 관측값인 $\chi_{\rm eff} \sim 0$와 일치함을 비교한다.
• 후뉴턴 및 웨이브폼 분석 기법을 적용하여 측정된 중력파 변형에서 스핀 크기와 방향을 추론한다.
• $\alpha$를 관측된 aLIGO 데이터와 MOG 웨이브폼을 일치시킬 수 있도록 자유 매개변수로 간주한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MOG는 aLIGO 관측 결과에서 $\chi_{\rm eff} \sim 0$를 보이는 병합 이중 블랙홀에서 스핀 비일치를 예측하는가?
• RQ2 MOG에서 효과적 스핀 매개변수 $\chi_{\rm eff}$는 일반 상대성 이론과 어떻게 다를까? 매개변수 $\alpha$는 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 MOG 프레임워크는 역학적 형성 시나리오를 요구하지 않고도 관측된 등방성 스핀 분포를 설명할 수 있는가?
• RQ4 관측된 $\chi_{\rm eff} \sim 0$는 MOG 스칼라 장 매개변수 $\alpha$의 값에 어떤 제약을 둔다?
• RQ5 MOG에서 강화된 중력은 스핀 매개변수 $a$와 블랙홀의 최종 병합 역학에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• MOG의 효과적 스핀 매개변수는 GR 대비 $1/(1+\alpha)$ 배 감소하여 $\alpha \gg 0$일 때 $\chi_{\rm eff\,MOG} \sim 0$가 되며, 이는 aLIGO 관측 결과와 일치한다.
• $\alpha > 0$일 경우, MOG는 최종 병합 단계에서 스핀 비일치를 예측하며, 이는 GW150914, LVT151012, GW151226 및 GW170104에서 관측된 $\chi_{\rm eff} \sim 0$와 일치한다.
• 차원이 없는 스핀 매개변수 $a_{\rm MOG}$는 동일한 요소 $1/(1+\alpha)$로 감소하여, GR 대비 더 작은 스핀 크기를 MOG에서 예측한다.
• MOG의 Kerr 블랙홀 계량은 $\alpha = 0$일 때 표준 GR Kerr 해로 감소하여 약한장 근처에서 일반 상대성 이론과의 일관성을 확인한다.
• MOG는 병합 동안 강한 중력으로 인해 $G$가 증가하여 스핀 비일치를 유도하며, 이는 관측된 $\chi_{\rm eff}$가 0 근처에 집중된 현상을 설명한다.
• 모델은 병합 중 $\alpha > 0$이고, X선 이중성계와 같은 고립계에서는 $\alpha \sim 0$임을 시사하여 다양한 천체 환경에서 스핀 정렬의 차이를 설명한다.