[논문 리뷰] Violation of the equivalence principle from light scalar fields: from Dark Matter candidates to scalarized black holes

Aurélien Hees, O. Minazzoli외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 21.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 테이저-스칼라 중력 이론에서 경량 스칼라 장이 초래하는 등가원리 위반을 조사하며, 물질과의 비최소 스칼라-물질 결합의 미세구조 모델을 제안하여 자유낙하의 보편성, 원자시계 비교, 중력적 적색이동에 영향을 미친다. 원자시계와 은하중심 Sgr A*를 도는 S0-2 성성의 관측자료를 이용해 초경량 스칼라 어두운 물질 및 스칼라화된 블랙홀 모델을 제약하며, 현재의 실험 정밀도 범위 내에서 일반 상대성 이론과 일치함을 보인다.

ABSTRACT

Tensor-scalar theory is a wide class of alternative theory of gravitation that can be motivated by higher dimensional theories, by models of dark matter or dark ernergy. In the general case, the scalar field will couple non-universally to matter producing a violation of the equivalence principle. In this communication, we review a microscopic model of scalar/matter coupling and its observable consequences in terms of universality of free fall, of frequencies comparison and of redshifts tests. We then focus on two models: (i) a model of ultralight scalar dark matter and (ii) a model of scalarized black hole in our Galactic Center. For both these models, we present constraints using recent measurements: atomic clocks comparisons, universality of free fall measurements, measurement of the relativistic redshift with the short period star S0-2 orbiting the supermassive black hole in our Galactic Center.

연구 동기 및 목표

• 테이저-스칼라 중력 이론에서 경량 스칼라 장이 물질과의 비보편적 결합을 통해 아인슈타인 등가원리(Epicentral Equivalence Principle, EEP) 위반을 어떻게 초래할 수 있는지 조사하기 위해.
• 실험실 실험(원자시계, 토크 밸런스)과 천체물리 관측(중력적 적색이동, S0-2)을 통해 EEP 위반의 관측 가능 신호를 평가하기 위해.
• 현재 관측 자료를 바탕으로 은하중심의 초경량 스칼라 어두운 물질 및 스칼라화된 블랙홀 모델을 제약하기 위해.
• 중력적 적색이동 측정을 스칼라-텐서 이론의 기본 매개변수, 즉 결합 강도와 스칼라 전하에 맵핑하기 위해.
• 최신 자유낙하의 보편성 및 상대론적 적색이동 측정 자료를 활용해 스칼라 장의 결합에 대한 업데이트된 제약을 제공하기 위해.

제안 방법

• 스칼라 장 상호작용이 등각 대칭성을 깨뜨리고 EEP 위반을 유도하는 비최소 스칼라-물질 결합의 미세구조 모델을 사용하며, Damour과 Donoghue의 프레임워크에 기반한다.
• 선형 결합 모델(i=1)을 적용하여, 스칼라 장이 존재할 경우 시험 질량(예: S0-2 성성)의 수정된 운동 방정식과 중력적 적색이동을 유도한다.
• 효과적인 중력 질량과 적색이동 매개변수를 스칼라 전하 q 및 결합 계수 α(1)과 κ(1)의 함수로 유도하며, 관측 가능한 양과 이론적 매개변수를 연결한다.
• S0-2의 상대론적 적색이동 측정(GRAVITY 및 UCLA 그룹, α_red = -0.2 ± 0.34)을 활용해 스칼라 장의 결합 강도를 제약한다.
• 원자시계 비교 및 자유낙하 실험(MICROSCOPE 등)의 제약을 분석하여 스칼라-물질 결합을 제한한다.
• 이차 에인슈타인-가우스-본넷 이론을 이론적 프레임워크로 사용하며, 여기서 스칼라화된 블랙홀은 비자명한 스칼라 털을 가지며, 그 영향을 관측 가능한 적색이동 및 궤도 역학에 맵핑한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 테이저-스칼라 이론에서 경량 스칼라 장은 어떻게 아인슈타인 등가원리 위반을 유도하는가?
• RQ2 현재의 원자시계 및 자유낙하 실험은 스칼라 장의 물질과의 결합 강도를 어느 정도 제약할 수 있는가?
• RQ3 Sgr A*를 도는 S0-2 성성의 상대론적 적색이동 측정은 스칼라 장 효과를 탐지하고 스칼라화된 블랙홀 해법을 시험하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ4 스칼라화된 블랙홀은 Sgr A*의 중력장과 궤도 역학 해석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 스칼라 전하와 결합 계수는 S0-2 시스템에서 관측 가능한 적색이동과 가속도 매개변수에 어떻게 맵핑되는가?

주요 결과

• 관측된 S0-2의 중력적 적색이동(α_red = -0.2 ± 0.34)은 스칼라 장의 물질과의 결합 강도를 제약하며, 그 결과는 현재의 불확도 범위 내에서 일반 상대성 이론과 일치한다.
• S0-2 궤도에서 유도된 효과적인 질량은 스칼라 장에 의해 수정되며, 이 편차는 qα(1)_S0-2로 매개변수화되며, 여기서 q는 블랙홀의 스칼라 전하이다.
• 적색이동 기여는 스칼라 전하 q와 함께 결합 계수 α(1)_S0-2 및 κ(1)_S0-2에 의존하며, 관측 가능한 양과 이론적 매개변수를 직접 연결한다.
• 원자시계와 자유낙하 실험의 제약은 특히 초경량 스칼라 어두운 물질 후보에 대해 스칼라-물질 결합 강도에 대한 경계를 제공한다.
• 이차 에인슈타인-가우스-본넷 이론에서 스칼라화된 블랙홀 해는 스칼라 전하 q ~ 0.45까지 가질 수 있으며, 이는 중력 역학에 상당한 영향을 미친다.
• 전체 매개변수 공간(η, d(1)_i)는 아직 연구 중이지만, 현재 자료는 스칼라 장의 결합 영역에서 일반 상대성 이론에서의 큰 이탈을 배제하고 있다.