[论文解读] Comparing solar-system, binary-pulsar, and gravitational-wave tests of gravity

Gilles Esposito-Farèse|ArXiv.org|Mar 15, 1999

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文比較了太陽系、雙星脈衝星與重力波觀測在張量-標量理論中測試重力的敏感度。結果顯示，強場測試——特別是雙星脈衝星數據——已能約束那些在弱場太陽系中與廣義相對論無法區分的替代重力理論，證明即使在廣義相對論中單獨計算LIGO/Virgo的 chirp 模板也足夠安全。

ABSTRACT

This talk is based on my work in collaboration with Thibault Damour. We compare the probing power of different classes of gravity experiments: solar-system tests (weak-field regime), binary-pulsar tests (strong-field regime), and future gravitational-wave observations of inspiralling binaries (strong-field effects detected in our weak-gravitational-field conditions). This is done within the most natural class of alternative theories to general relativity, namely tensor-scalar theories, in which the gravitational interaction is mediated by one tensor field (g_munu) together with one or several scalar fields (phi). Our main conclusion is that strong-field tests are qualitatively different from weak-field experiments: They constrain theories which are strictly indistinguishable from general relativity in the solar system. We also show that binary-pulsar data are so precise that they already rule out the theories for which scalar effects could have been detected with LIGO or VIRGO. This proves that it is therefore sufficient to compute the `chirp' templates within general relativity.

研究动机与目标

• 評估三種不同重力測試範疇的相對探測能力：弱場太陽系實驗、強場雙星脈衝星系統，以及未來的重力波觀測。
• 評估是否可透過這些不同實驗類別區分替代重力理論——特別是張量-標量理論——與廣義相對論。
• 確定雙星脈衝星觀測是否已約束那些原本可被地面重力波探測器（如LIGO或VIRGO）偵測到的標量場效應。
• 確立在強場觀測約束下，使用僅基於廣義相對論的chirp模板進行重力波資料分析是否足夠。

提出的方法

• 分析張量-標量重力理論，其中重力由一個對稱張量場與一個或多個標量場傳遞。
• 使用參數化後牛頓（PPN）形式化來描述弱場太陽系測試。
• 應用後開普勒參數分析雙星脈衝星系統，特別著重於軌道衰減與近日點進動。
• 在標量-張量理論背景下評估雙星併合重力波訊號，特別是chirp質量與去調參數。
• 將各範疇中標量效應的理論預測與Hulse-Taylor雙星脈衝星的觀測界限以及未來LIGO/VirGO的敏感度進行比較。
• 運用數值與解析計算，從每一類測試推導出對標量耦合參數的約束。

实验结果

研究问题

• RQ1 雙星脈衝星觀測是否能排除那些在太陽系中與廣義相對論無法區分的標量-張量理論？
• RQ2 與太陽系或雙星脈衝星測試相比，對併合雙星的重力波觀測在多大程度上改善了對標量-張量理論的約束？
• RQ3 在當前雙星脈衝星數據下，替代重力理論所預測的標量效應是否仍可被LIGO或VIRGO偵測到？
• RQ4 雙星脈衝星數據的精確度是否足以證明僅使用基於廣義相對論的chirp模板進行重力波資料分析已足夠？

主要发现

• 雙星脈衝星觀測已將標量-張量理論約束至即使LIGO或VIRGO達到其設計敏感度，也無法偵測到標量效應的程度。
• 強場測試（如雙星脈衝星）在區分廣義相對論與替代理論方面，質性上比弱場太陽系測試更具威力。
• 在太陽系中與廣義相對論觀測上無法區分的理論，因其強場標量效應而被雙星脈衝星數據排除。
• 雙星脈衝星數據的精確度表示，僅在廣義相對論內計算重力波chirp模板已足夠，無需加入標量場修正。
• 雙星脈衝星數據的約束如此緊密，以致於排除了未來使用LIGO或VIRGO在重力波觀測中偵測到標量效應的可能性。