[논문 리뷰] Constraints on the quadrupole mass moment and on models of modified gravity from deviations of the third Kepler law in the double pulsar PSR J0737-3039A/B system

Lorenzo Iorio, Matteo Luca Ruggiero|arXiv (Cornell University)|2006. 12. 04.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 이중 펄서 PSR J0737-3039A/B에서 관측된 궤도 주기와 케플러 예측 간의 격리 ΔP = -1.772341 ± 13.153788 s 를 이용하여 수정 중력 모델을 제약한다. f(R) 중력에서 |κ| < 0.8 × 10⁻²⁶ m⁻² 이며, 양자화된 제5력에 대해선 |α| < 5.5 × 10⁻⁴ 이다. 반면 MOND 효과는 그 크기가 작아 현재까지 제약을 받지 못했다.

ABSTRACT

In this paper we use Delta P = -1.772341 +/- 13.153788 s between the phenomenologically determined orbital period P_b of the PSR J0737-3039 double pulsar system and the purely Keplerian period P^(0)=2\pi\sqrt{a^3/G(m_A+m_B)} calculated with the system's parameters, determined independently of the third Kepler law itself, in order to put constraints on some models of modified gravity (f(R), Yukawa-like fifth force, MOND). The major source of error affecting Delta P is not the one in the phenomenologically measured period (\delta P_b=4 10^-6 s), but the systematic uncertainty \delta P^(0) in the computed Keplerian one due to the relative semimajor axis a mainly caused, in turn, by the errors in the ratio R of the pulsars' masses and in sin i. We get |\kappa|< 0.8 10^-26 m^-2 for the parameter that in the f(R) framework is a measure of the non linearity of the theory, |\alpha|< 5.5 10^-4 for the fifth-force strength parameter (for \lambda\approx a=0.006 AU). The effects predicted by the strong-acceleration regime of MOND are far too small to be constrained with some effectiveness today and in the future as well. In view of the continuous timing of such an important system, it might happen that in the near future it will be possible to obtain somewhat tighter constraints.

연구 동기 및 목표

• 이중 펄서 PSR J0737-3039A/B의 정밀 타이밍 데이터를 이용해 수정 중력 이론의 타당성을 검증한다.
• 케플러 제3법칙에서의 이탈이 f(R), 양자화된 제5력, MOND에 대한 제약에 미치는 영향을 평가한다.
• 특히 상대적 장반경과 펄서 질량 비율에 기인한 체계적 오차를 중심으로 케플러 궤도 주기 추정치의 체계적 불확실성을 정량화한다.
• 현재 및 향후 관측이 강가속도 영역의 MOND 제약을 가능하게 하는지 판단한다.

제안 방법

• 시스템의 독립적으로 측정된 매개변수인 총 질량, 장반경, 기울기를 이용해 순수 케플러 궤도 주기 P⁰ 을 계산한다.
• P⁰ 과 현상학적으로 측정된 궤도 주기 P_b 를 비교하여 이격도 ΔP = P_b - P⁰ 을 계산한다.
• ΔP 의 주요 불확실성은 펄서 질량 비율 R 과 sin i 에 기인한 장반경 a 의 체계적 오차에 기인한다.
• ΔP 를 이용해 f(R) 중력의 비선형성 파라미터 κ 와 범위 λ ≈ 0.006 AU 인 제5력 강도 α 를 제약한다.
• 동일한 ΔP 측정치를 이용해 강가속도 영역의 MOND 효과 탐지 가능성 여부를 평가한다.
• 관측 주기 P_b 에 기인한 타이밍 노이즈와 측정 정밀도를 고려하여 부차적인 오차 성분을 기입한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PSR J0737-3039A/B 시스템에서 제3 케플러 법칙의 관측 이심을 이용해 f(R) 중력에 어떤 제약을 두는가?
• RQ2 범위 λ ≈ 0.006 AU 를 가정할 때, 측정된 ΔP 를 바탕으로 양자화된 제5력은 어느 정도 강도일 수 있는가?
• RQ3 현재의 타이밍 데이터로는 이중 펄서의 강가속도 영역 MOND를 제약할 수 있는가?
• RQ4 이 시스템에서 케플러 궤도 주기 P⁰ 의 결정에 가장 크게 영향을 미치는 체계적 오차는 무엇인가?

주요 결과

• f(R) 중력의 비선형성 파라미터는 |κ| < 0.8 × 10⁻²⁶ m⁻² 로 제약되며, 일반 상대성 이론에서의 이격이 강하게 억제됨을 시사한다.
• 범위 λ ≈ 0.006 AU 에서 양자화된 제5력의 강도는 |α| < 5.5 × 10⁻⁴ 이며, 약한 결합을 의미한다.
• 강가속도 영역의 MOND에서 예측하는 효과는 현재 또는 예상 가능한 타이밍 정밀도로는 제약할 수 없을 정도로 작다.
• 주기 이격 ΔP 의 주요 불확실성 원천은 펄서 질량 비율과 기울기 각도에 기인한 케플러 주기 P⁰ 의 체계적 오차이다.
• 향후 이중 펄서의 연속 타이밍 관측은 수정 중력 모델에 대해 더욱 강력한 제약을 줄 수 있다.