[논문 리뷰] Neutron Stars in Scalar-tensor Gravity with Higgs Scalar Potential

Sergei D. Odintsov, V. K. Oikonomou|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 05.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 스칼라-텐서 중력에서 힉스 스칼라 포텐셜을 스칼라 장으로 사용하여 중성자별을 조사하며, 조각별 다항식 상태방정식(SLy, APR, WFF1)을 사용하여 앙드레아스-오페르만-볼코프 방정식을 유도하고 수치적으로 해결한다. 이 연구에서는 일반 상대성 이론에서 이전에 배제되었던 WFF1 상태방정식이 이 프레임워크에서 유효해지고, GW170817 제약 조건과 일치하는 중성자별 질량-반지름 관계를 도출한다.

ABSTRACT

The Higgs scalar which is the only experimentally verified fundamental cosmological scalar, is also known to produce a viable inflationary phenomenology. In this work we investigate the effects of the Higgs model on static neutron stars. Particularly we derive the Einstein frame Tolman-Oppenheimer-Volkoff equations, and by numerically integrating them for both the interior and the exterior of the neutron star, using a double shooting python 3 based numerical code, we extract the masses and radii of the neutron stars, along with the several other related physical quantities of interest. With regard to the equation of state for the neutron star, we use a piecewise polytropic equation of state with the central part being SLy, APR or the WFF1 equations of state. The resulting $M-R$ graphs are compatible with the observational bounds imposed by the GW170817 event which require the radius of a static $M\sim 1.6 M_{\odot}$ neutron star to be larger than $R=10.68^{+15}_{-0.04}$km and the radius of a static neutron star corresponding to the maximum mass of the star to be larger than $R=9.6^{+0.14}_{-0.03}$km. Moreover, the WFF1 EoS, which was excluded for static neutron stars in the context of general relativity, for the Higgs neutron star model provides realistic results compatible with the GW170817 event.

연구 동기 및 목표

• 스칼라-텐서 중력 내에서 힉스 스칼라 포텐셜이 중성자별 구조에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 스칼라-텐서 중력에서 힉스 스칼라 포텐셜을 고려한 중성자별에 대한 아인슈타인 프레임의 톨만-오페르만-볼코프 방정식을 유도하고 해결하기 위해.
• 이전에 일반 상대성 이론에서 배제되었던 상태방정식(예: WFF1)이 이 프레임워크에서 물리적으로 유효해지는지 평가하기 위해.
• 예측된 질량-반지름 관계를 GW170817 사례에서의 관측 제약 조건과 비교하기 위해.
• 히긴스 매개체 스칼라-텐서 중력이 현재 중성자별 데이터와 얼마나 호환되는지 규명하기 위해.

제안 방법

• 스칼라-텐서 중력에서 힉스 스칼라 포텐셜을 고려한 중성자별에 대한 아인슈타인 프레임의 톨만-오페르만-볼코프 방정식을 유도한다.
• 파이썬 3로 구현된 더블 쇼팅 수치 방법을 사용하여 중성자별 내부 및 외부에 걸쳐 방정식을 통합한다.
• 조각별 다항식 상태방정식(SLy, APR, WFF1)을 사용하여 중성자별 물질을 모델링한다.
• 스칼라-텐서 프레임워크에서 중력 작용에 대한 스칼라 장 기여로 힉스 포텐셜을 적용한다.
• 계량 및 스칼라 장 프로파일에 대한 연립 미분방정식 시스템을 해결하여 물리적 관측 가능량을 도출한다.
• 수치적 해에서 질량과 반지름을 계산하고, GW170817 관측 제약 조건과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 히긴스 스칼라 포텐셜의 포함 여부가 스칼라-텐서 중력에서 중성자별 질량-반지름 관계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 일반 상대성 이론에서 이전에 배제되었던 WFF1 상태방정식이 이 스칼라-텐서 모델에서 일관된 결과를 도출할 수 있는가?
• RQ3 예측된 M-R 관계가 GW170817 사례에서의 제약 조건을 얼마나 잘 충족하는가?
• RQ4 다양한 상태방정식(SLy, APR, WFF1)이 동일한 스칼라-텐서 프레임워크에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 히긴스 스칼라는 일반 상대성 이론을 초월하여 중성자별 구조를 어떻게 수정하는가?

주요 결과

• 히긴스 스칼라 포텐셜은 스칼라-텐서 중력에서 물리적으로 타당한 결과를 도출할 수 있는 일관된 중성자별 기술을 가능하게 한다.
• 일반 상대성 이론에서 이전에 배제되었던 WFF1 상태방정식이 이 모델에서 GW170817 제약 조건과 일치하는 질량-반지름 관계를 생성한다.
• 1.6 M☉ 중성자별의 예측 반지름은 10.68 km를 초과하여, GW170817에서의 하한 제약 조건을 충족한다.
• 최대 질량 중성자별의 반지름은 9.6 km를 초과하는 것으로 예측되어 관측 제약 조건과 일치한다.
• 이 모델은 중력파 및 X선 관측에서의 현재 관측 데이터와 정량적으로 일치하는 질량-반지름 관계를 도출한다.
• 수치적 해는 힉스 포텐셜을 포함한 스칼라-텐서 프레임워크가 중성자별 구조에 대해 안정적이고 물리적으로 일관된 것을 확인한다.