[論文レビュー] Compact astrophysical objects in modified gravity

Antoine Lehébel|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2018

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

本学位論文は、特にスカラ-テンソルおよびホルンデスキー重力理論における、中性子星やブラックホールなどのコンパクト天体を検討する。解析的および数値的手法を用いて、安定性、構造、重力波の特徴を調査し、一般相対性理論とは異なる特徴を示す可能性があることを示している。特に、二重中性子星合体イベント GW170817 からの制約において顕著である。

ABSTRACT

Twenty years have passed since the discovery of the accelerated expansion of the Universe, reviving the interest for alternative theories of gravity. Adding a scalar degree of freedom to the usual metric of general relativity is one of the simplest ways to modify our gravitational theory. In parallel, our knowledge about black holes and neutron stars is booming, notably thanks to the advent of gravitational wave astronomy. This thesis is at the crossroads between the two fields, investigating the properties of compact objects in extended scalar-tensor theories. We start by reviewing essential no-hair results established since the seventies. After discussing the no-hair theorem proposed for black holes in Horndeski theory, we present its extension to stars. The second part of the thesis investigates in detail the various ways to circumvent this theorem. These notably include solutions with a time-dependent scalar field in order to match cosmological evolution, but also static and asymptotically flat configurations. In a third part, we establish an important stability criterion for these solutions, based on their causal structure. It is also the occasion to study the propagation of gravitational waves in black hole environments, and to select the theories where gravitational waves travel at the same speed as light.

研究の動機と目的

• 修正重力理論における中性子星やブラックホールなどのコンパクト天体の構造と安定性を調査すること。
• スカラ-テンソルおよびホルンデスキー重力モデルが、一般相対性理論と比較してコンパクト天体の性質にどのように影響を与えるかを評価すること。
• 特に重力波イベント GW170817 およびその電磁気的対応体 GRB170817A からの観測データを用いて、修正重力モデルを制約すること。
• 高階微分項および非最小結合が、コンパクト天体の力学的・安定的性質に与える影響を分析すること。
• k-エネルギーおよびMONDに類似した重力モデルが、天体物理学的コンパクト天体の文脈において実現可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 2階微分を含むスカラ-テンソル重力のための場の運動方程式を導出するために、有効場理論および作用に基づく定式化を用いる。
• ホルンデスキー理論クラスを、ゴーストを含まず安定な解を保証するスカラ-テンソル重力の一般的枠組みとして適用する。
• 奇・偶パリティモードの両方に対して、ブラックホールおよび中性子星背景における線形摂動解析を実施し、安定性を評価する。
• コンパクト天体の配置を記述する、結合されたアインシュタイン-スカラ方程式を解くために、数値相対論的手法を用いる。
• GW170817 および GRB170817A からの観測的制約を統合し、修正重力モデルの妥当性を検証する。
• 重力波の伝播特性に注目し、速度および減衰効果に着目して、修正重力における重力波の性質を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカラ-テンソルによる重力の修正は、中性子星やブラックホールの構造と安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 コンパクト天体合体からの重力波放射に、修正重力の観測的特徴はどのように現れるか？
• RQ3 GW170817 および GRB170817A からの制約は、特定のクラスの修正重力モデルをどの程度排除するか？
• RQ4 k-エネルギーまたはMONDに類似した重力モデルは、現在の天体物理学的データと整合する安定なコンパクト天体を生成可能か？
• RQ5 非最小結合項および高階微分項は、修正重力におけるコンパクト天体の形成と進化にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 本研究では、ホルンデスキー重力におけるコンパクト天体が、一般相対性理論とは異なる内部構造および安定性特性を示すことが確認された。
• 摂動解析の結果、一般化されたスカラ-テンソル理論におけるブラックホールは、奇パリティおよび偶パリティモードの両方において安定であることが示され、このようなモデルの妥当性が支持された。
• GW170817 からの制約は、光速を超える重力波伝播を予測するモデルを強く排除し、重力の速度が光速に等しいモデルを支持する。
• アインシュタインテンソルへの非最小結合を組み込むと、特徴的な熱力学的および幾何的性質を持つ新たなブラックホール解が得られた。
• k-エネルギーおよびMONDに類似したモデルは、特定のパrameter領域でのみ、コンパクト天体形成に妥当であると判明し、重力波観測からの強い制約が示された。
• 解析により、修正重力が高密度環境において長距離スカラ相互作用をスクリーニングできることを示し、太陽系のテストとの整合性を保ちつつ、宇宙論的またはコンパクト天体の文脈でずれを許容することが可能であることが明らかになった。