[论文解读] Improved Bounds on Violation of the Strong Equivalence Principle

Zaven Arzoumanian|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2002

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 3

一句话总结

本研究利用20年脉冲星B0655+64的计时数据，对强等效原理（SEP）的破坏提出了改进的约束。通过测量轨道衰减的缺失，该分析在95%置信水平下给出|Ṗb/Pb| < 1.0×10⁻¹⁰ yr⁻¹的上限，从而得出布兰斯-狄克理论中ωBD > 320的下限，显著收紧了对偶极引力辐射和SEP破坏的先前限制。

ABSTRACT

I describe a unique, 20-year-long timing program for the binary pulsar B0655+64, the stalwart control experiment for measurements of gravitational radiation damping in relativistic neutron-star binaries. Observed limits on evolution of the B0655+64 orbit provide new bounds on the existence of dipolar gravitational radiation, and hence on violation of the Strong Equivalence Principle.

研究动机与目标

• 通过在相对论性双星脉冲星系统中搜索偶极引力辐射，检验强等效原理（SEP）。
• 利用PSR B0655+64长期计时稳定性，改进对替代引力理论（尤其是布兰斯-狄克理论）的现有约束。
• 约束偶极辐射的存在，其存在将表明SEP被破坏，并暗示在替代引力模型中标量场耦合非零。
• 评估相对论性中子星-白矮星双星作为未来基础引力探测工具的潜力，特别是随着新系统的发现。

提出的方法

• 对PSR B0655+64开展了20年计时计划，利用射电望远镜高精度测量脉冲到达时间。
• 应用Tempo软件包和ell1双星计时模型，将旋转、天球测量和轨道参数拟合至完整数据集。
• 利用观测到的轨道周期导数（Ṗb/Pb）约束四极和偶极引力辐射的贡献，以及G的可能时间变化和相对加速度效应。
• 通过新的自行测量（μ = 6.8 ± 1.1 mas yr⁻¹）考虑谢克洛夫斯基效应和银河系加速度，以校正系统性计时误差。
• 基于中子星的灵敏度参数s（假设s = 0.2）和白矮星的可忽略灵敏度，计算偶极辐射的理论预测。
• 将观测到的轨道演化限制与布兰斯-狄克及其他标量-张量理论的理论预测进行比较，推导出对ωBD和κD G⁻²的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 PSR B0655+64的轨道衰减率上限是多少？它如何约束偶极引力辐射？
• RQ2 B0655+64轨道的观测稳定性在多大程度上约束了对强等效原理的偏离？
• RQ3 与以往的脉冲星和太阳系实验相比，这些计时测量在多大程度上改进了对布兰斯-狄克参数ωBD的限制？
• RQ4 该中子星-白矮星双星系统中轨道衰减的缺失是否可排除显著的偶极辐射？这对替代引力理论意味着什么？
• RQ5 未来发现的轨道周期更短的相对论性中子星-白矮星双星在多大程度上可提供对SEP破坏更严格的约束？

主要发现

• 观测到的轨道周期导数与零一致，给出轨道衰减率的95%置信水平上限为|Ṗb/Pb| < 1.0×10⁻¹⁰ yr⁻¹。
• 未检测到可观测的轨道演化，意味着偶极辐射强度受到约束：在95%置信水平下，κD G⁻² < 0.006 (s/0.2)⁻²。
• 对于布兰斯-狄克理论，这得出ωBD > 320 (s/0.2)²的下限，在95%置信水平下，当s = 0.2时对应ωBD > 320。
• 对ωBD的约束比此前来自双星脉冲星的最佳限制紧约7倍，且与太阳系测量结果相当。
• 本研究证实，尽管轨道周期相对较长，PSR B0655+64仍是测试SEP的稳健且灵敏的实验室。
• 未来发现更靠近、周期更短的中子星-白矮星双星系统，预计将对偶极辐射和SEP破坏提供更强的约束。