[论文解读] Compact astrophysical objects in modified gravity

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

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

一句话总结

本论文研究了在修正引力理论（特别是标量-张量引力与霍尔德斯基引力）中的致密天体（如中子星和黑洞）的性质。通过解析与数值方法，探讨其稳定性、结构特征及引力波信号，结果表明，这些天体在广义相对论之外可能表现出显著不同的特性，尤其在双中子星并合事件GW170817的约束下更为明显。

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.

研究动机与目标

• 研究在修正引力理论中，如中子星和黑洞等致密天体的结构与稳定性。
• 评估标量-张量与霍尔德斯基引力模型相较于广义相对论，如何改变致密天体的性质。
• 利用观测数据（特别是引力波事件GW170817及其电磁对应体GRB170817A）对修正引力模型进行约束。
• 分析高阶导数项与非最小耦合在塑造致密天体动力学与稳定性中的作用。
• 探讨k-本质与MOND类引力模型在致密天体天体物理背景下的可行性。

提出的方法

• 利用有效场论与作用量形式化方法，推导出具有二阶导数的标量-张量引力的场方程。
• 将霍尔德斯基理论类作为标量-张量引力的一般框架，确保无鬼魅态且解稳定。
• 对黑洞与中子星背景进行线性微扰分析，评估其在奇宇称与偶宇称模式下的稳定性。
• 采用数值相对论技术求解致密天体构型下的耦合爱因斯坦-标量方程。
• 结合来自GW170817与GRB170817A的观测约束，检验修正引力模型的可行性。
• 分析在修正引力中引力波的传播特性，重点关注其速度与阻尼效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 标量-张量引力的修正如何改变中子星与黑洞的结构与稳定性？
• RQ2 在致密天体并合过程中，修正引力在引力波辐射中会产生何种观测特征？
• RQ3 来自GW170817与GRB170817A的约束在多大程度上排除了特定类别的修正引力模型？
• RQ4 k-本质或MOND类引力模型是否能产生与当前天体物理数据一致的稳定致密天体？
• RQ5 非最小耦合项与高阶导数项在修正引力中如何影响致密天体的形成与演化？

主要发现

• 研究证实，霍尔德斯基引力中的致密天体相较于广义相对论，可能表现出修改后的内部结构与稳定性特征。
• 微扰分析表明，广义标量-张量理论中的黑洞在奇宇称与偶宇称模式下均保持稳定，支持此类模型的可行性。
• 来自GW170817的约束强烈排除了预测引力波超光速传播的模型，倾向于支持引力速度等于光速的模型。
• 引入与爱因斯坦张量的非最小耦合，可产生具有独特热力学与几何特性的新黑洞解。
• k-本质与MOND类模型仅在特定参数范围内可实现致密天体的形成，且受到引力波观测的强烈约束。
• 分析表明，修正引力可在致密环境中屏蔽长程标量相互作用，从而在保持与太阳系实验一致的同时，允许在宇宙学或致密天体背景下出现偏离。