[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出，通过引入修正引力（MOG）理论，可解决中子星质量间隙之谜。该理论通过修正的Tolman-Oppenheimer-Volkoff（TOV）方程，使中子星质量可达2.7 M☉，从而将GW190814的次级天体（此前被认为可能是轻质黑洞）重新解释为处于假定的2.5–5 M☉质量间隙内的大质量中子星。

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 $2.5 - 5 M_\odot$.

研究动机与目标

• 解决长期存在的中子星质量间隙（2.5–5 M☉）之谜，该间隙位于已知中子星与黑洞之间。
• 将GW190814双星并合事件中次级成分（质量为2.6–2.7 M☉）与中子星而非轻质黑洞相协调。
• 证明MOG（一种包含标量场与大质量矢量场的修正引力理论）可使中子星质量超过广义相对论的预测。
• 展示已知的状态方程（EOS）与MOG结合可产生稳定、大质量的中子星，且与观测约束一致。

提出的方法

• 应用MOG的标量-张量-矢量-引力（STVG）形式，引入标量场α与大质量矢量场φμ以修正引力。
• 使用包含矢量场能量-动量张量所产生排斥引力的修正TOV方程，改变引力平衡状态。
• 利用四种已确立的中子星状态方程（EOS），在中心密度为10^14.6至10^15.9 g/cm³的范围内，数值积分修正后的TOV方程。
• 将引力耦合常数视为G = G_N(1 + α)，其中α为无量纲参数，用于调节有效引力强度，且其值受天体物理一致性约束为α ≲ 10⁻²。
• 通过Q_g(r)（引力电荷）建模矢量场的贡献，引入一种排斥项以抵抗引力坍缩。
• 在静态、球对称条件下求解场方程，采用度规假设与能量-动量张量分解，推导出修正的流体静力平衡方程。

实验结果

研究问题

• RQ1 MOG能否产生质量超过银河系脉冲星观测中2.14 M☉上限的中子星？
• RQ2 MOG中的修正TOV方程是否允许在2.5–5 M☉质量间隙内存在稳定的中子星？
• RQ3 在MOG框架下，质量为2.6–2.7 M☉的GW190814次级天体能否被一致地解释为中子星而非黑洞？
• RQ4 与广义相对论相比，MOG参数α如何影响中子星的最大质量与半径？
• RQ5 大质量矢量场在通过排斥引力效应实现更高中子星质量方面起到何种作用？

主要发现

• 当α ≲ 10⁻²时，MOG中的修正TOV方程可产生高达2.7 M☉的中子星质量，超过广义相对论的预测。
• 在中心密度低于约10^15.3 g/cm³时，由于矢量场的排斥贡献，MOG预测的最大质量高于广义相对论。
• 对于相同质量，MOG预测的半径大于广义相对论，但质量-半径关系在已知状态方程下仍具物理可行性。
• MOG中存在稳定中子星解，质量位于2.6–2.7 M☉之间，使GW190814的次级天体落入中子星范畴。
• 该理论通过表明2.5–5 M☉的质量间隙可能并非物理存在，而是广义相对论质量限制的产物，从而解决了质量间隙之谜。
• 该理论在弱场极限下重现牛顿引力，并在无需暗物质的情况下匹配星系旋转曲线，支持其天体物理可行性。