[论文解读] Astrophysical Tests of Modified Gravity

Jeremy Sakstein|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2015

Geophysics and Gravity Measurements被引用 14

一句话总结

本论文提出利用未被屏蔽的天体物理系统——特别是恒星以及诸如造父变星、红巨星支尖和水脉泽等距离指示器——来检验类似卡梅隆（chameleon）的修正引力理论。这些理论通过屏蔽机制规避了太阳系的约束。通过在修正引力下建立恒星结构模型，并比较不同方法推算出的距离，作者得出了迄今为止最严格的约束，将先前的限制提高了三个数量级。

ABSTRACT

Chameleon and similar (symmetron and dilation) theories of gravity can exhibit new and interesting features on cosmological scales whilst screening the modifications on small scales thereby satisfying solar system tests of general relativity. This thesis explores the regime between these two scales: astrophysics. The majority of this thesis is focused on discerning new and novel astrophysical probes of chameleon gravity in the form of stellar structure and oscillation tests. These are used to place new constraints on the theory parameters and the implications of these are discussed, as are the future prospects for improving them using planned future surveys. The final two chapters review supersymmetric completions of these theories.

研究动机与目标

• 开发适用于星系尺度与宇宙学尺度之间温和非线性区域的修正引力天体物理探针。
• 解决在太阳系约束下仍可被屏蔽的修正引力理论的测试挑战，但可能在未被屏蔽的天体物理环境中留下痕迹。
• 通过比较未被屏蔽星系中引力敏感与引力不敏感的距离指示器的测量结果，改进模型参数的约束。
• 研究在修正引力下恒星的稳定性和振荡特性，识别新的可观测特征。
• 探索修正引力模型的超对称实现形式，并评估其在量子和宇宙学约束下的可行性。

提出的方法

• 推导具有物质共形耦合的标量-张量理论中的修正流体动力学方程，纳入如卡梅隆、对称子（symmetron）及环境依赖效应等屏蔽机制。
• 求解修正引力下的平衡恒星结构方程，表明未被屏蔽的恒星由于额外的向内力导致核心燃烧增强，因而温度更高、亮度更大。
• 通过比较造父变星（Cepheids）、红巨星支尖（tip of red giant branch）、水脉泽以及引力不敏感方法推算出的距离，检测引力定律中的不一致性。
• 对修正引力流体动力学方程进行一阶微扰，推导恒星脉动的振荡方程，发现其周期比以往估计更短。
• 构建卡梅隆模型的全局超对称嵌入，通过环境密度和超引力修正分析自发超对称性破缺。
• 研究超对称模型中通过法伊耶-伊莱亚普（Fayet-Iliopoulos）项实现的晚期宇宙学常数出现机制，及其对参数空间的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 未被屏蔽的星系中恒星能否通过距离指示器之间的差异，成为修正引力的检验手段？
• RQ2 与广义相对论相比，修正引力效应如何改变恒星的平衡结构和脉动特性？
• RQ3 超对称实现对卡梅隆类修正引力模型的可行性及其参数空间有何影响？
• RQ4 冯施泰因机制是否可能导致脉动恒星发出可探测的标量辐射，从而为这些理论提供新的探测途径？
• RQ5 超引力修正和晚期宇宙学项对超对称修正引力模型的参数空间施加了何种约束？

主要发现

• 本研究对类似卡梅隆的修正引力模型设定了迄今为止最严格的约束，通过比较距离指示器，将先前的限制提高了三个数量级。
• 在修正引力下，未被屏蔽的恒星由于额外的向内力导致核心燃烧速率增加，因此预测其温度更高、亮度更大，相较于被屏蔽的恒星。
• 未被屏蔽恒星的振荡周期显著短于以往估计，表明现有脉动数据可能已可用于改进约束。
• 分析表明，超对称卡梅隆模型中的超引力修正将参数空间压缩至天体物理和实验室测试无法触及的水平。
• 超对称卡梅隆模型在背景水平上与ΛCDM不可区分，但在冷暗物质功率谱中可能表现出偏离，或可通过未来巡天进行检验。
• 行星状星云光度函数可能作为未被屏蔽的距离指示器，因为其包层未被屏蔽而核心被屏蔽，可能导致光度函数减弱。