[論文レビュー] Modified Gravity (MOG) and Heavy Neutron Star in Mass Gap

J. W. Moffat|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 16被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、修正重力（MOG）が中性子星質量ギャップの謎を解消すると提案している。MOGは修正されたTolman-Oppenheimer-Volkoff（TOV）方程式を用いて、中性子星が2.7 M☉にまで達するのを可能にし、GW190814の二次的対象がもともと軽量ブラックホールであると疑われていたが、仮説的な2.5–5 M☉の質量ギャップ内に位置する重い中性子星として解釈可能になる。

ABSTRACT

The modified gravity (MOG) theory is applied to the gravitational wave binary merger GW190814 to demonstrate that the modified Tolman-Oppenheimer-Volkoff equation for a neutron star can produce a mass $M=2.6 -2.7 M_\odot$, allowing for the binary secondary component to be identified as a heavy neutron star in the hypothesized mass gap $2.5 - 5 M_\odot$.

研究の動機と目的

• 既存の中性子星とブラックホールの間にある長年の天文学的謎、すなわち2.5–5 M☉の質量ギャップを解消すること。
• GW190814の二重合体における二次的成分（質量2.6–2.7 M☉）を、軽量ブラックホールではなく中性子星として整合的に解釈すること。
• スカラー場と質量を持つベクトル場を有する修正重力理論MOGが、一般相対性理論よりも高い中性子星質量を許容することを示すこと。
• 既知の状態方程式（EOS）とMOGを組み合わせることで、観測的制約と整合する安定な高質量中性子星を生成できることを示すこと。

提案手法

• MOGのスカラー・テンソル・ベクトル重力（STVG）形式を適用し、重力を修正するためのスカラー場αと質量を持つベクトル場φμを導入する。
• ベクトル場のエネルギー運動量テンソルが重力的平衡を変える、反発的重力を含む修正されたTolman–Oppenheimer–Volkoff（TOV）方程式を用いる。
• 中心密度が10^14.6～10^15.9 g/cm³の範囲にある4つの既存の中性子星状態方程式（EOS）を用いて、修正されたTOV方程式を数値的に統合する。
• 重力結合定数をG = G_N(1 + α)として扱い、αは次元のないパラメータであり、天体物理学的整合性のためα ≲ 10⁻²に制限される。
• ベクトル場の寄与をQ_g(r)、すなわち重力的電荷を通じて表現し、重力的収縮を相殺する反発的項を導入する。
• 静的かつ球対称な条件下で場の方程式を解き、計量のアンザッツとエネルギー運動量テンソルの分解を用いて、修正された静水的平衡を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MOGは、銀河系パルサーで観測された2.14 M☉の上限を超える中性子星を生成できるか？
• RQ2 MOGにおける修正TOV方程式は、2.5–5 M☉の質量ギャップに位置する安定な中性子星を許容するか？
• RQ3 質量2.6–2.7 M☉のGW190814の二次的対象が、MOGにおいてブラックホールではなく中性子星として一貫して解釈可能か？
• RQ4 MOGのパrameter αは、一般相対性理論と比較して、最大中性子星質量と半径にどのように影響を与えるか？
• RQ5 質量を持つベクトル場が、反発的重力効果を通じてより高い中性子星質量を可能にする役割は何か？

主な発見

• α ≲ 10⁻²の条件下で、MOGにおける修正TOV方程式は、一般相対性理論の予測を上回る2.7 M☉の中性子星質量を生じる。
• 中心密度が約10^15.3 g/cm³未満の領域では、ベクトル場の反発的寄与のおかげで、MOGは一般相対性理論よりも高い最大質量を予測する。
• 同じ質量に対してMOGにおける半径は一般相対性理論よりも大きいが、既知のEOSと整合する物理的に妥当な質量-半径関係を維持する。
• 2.6–2.7 M☉の中性子星を安定化させる解がMOGに存在し、GW190814の二次的対象が中性子星領域に位置づけられる。
• 理論は、2.5–5 M☉のギャップが物理的ではないことを示し、一般相対性理論の質量制限に起因する誤りであると解消する。
• 理論は弱い場の極限でニュートン重力と一致し、暗黒物質を必要とせず銀河の回転曲線を再現するため、天体物理学的妥当性が裏付けられる。