[论文解读] Monopole radiation in modified gravity

Amol Upadhye, Jason H. Steffen|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2013

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 11

一句话总结

本文研究了在物质耦合强度 β 任意的广义 f(R) 引力模型中，标量单极辐射的影响，表明对于标准 β 值，脉动星和超新星的能量损失可忽略不计，但在未屏蔽环境（如矮星系）中，β ≤ 100 可能受到约束。该研究利用非线性卡门场解计算单极辐射功率，发现核心坍缩超新星提供的约束比变星更紧，因其质量抛射量更大。

ABSTRACT

Modifications to General Relativity typically introduce a scalar degree of freedom. Experimental constraints require that the "fifth" force produced by this field must be screened in high density environments. An important consequence of the screening mechanism is that the scalar charge of a spherically symmetric expanding or pulsating object, such as a supernova or variable star, is not conserved and monopole radiation can be emitted thereby. We calculate the energy loss rate due to scalar monopole radiation in supernovae and variable stars for a generalized model of f(R) gravity in which the matter coupling strength beta is allowed to be much larger than unity. For models which become screened at the gravitational potential of our galaxy, monopole radiation constraints require beta < 100.

研究动机与目标

• 评估广义 f(R) 引力模型中，标量单极辐射对变星和核心坍缩超新星能量损失的影响。
• 确定单极辐射是否会影响现有基于恒星光度和周期-光度关系的约束。
• 利用未屏蔽环境中超新星的单极辐射，推导 f(R) 引力中物质耦合强度 β 的观测约束。
• 建模时变恒星结构中非线性卡门场响应，特别是脉动和爆炸阶段。

提出的方法

• 求解静态、球对称物质构型（代表恒星核心和包层）的完全非线性卡门方程。
• 采用简化恒星模型，包含恒定密度核心和时变均匀包层，以近似脉动和爆炸动力学。
• 在远场区域计算标量场扰动，其场强按 1/r 衰减，以确定单极辐射功率。
• 利用时变标量荷和场梯度，推导标量单极辐射的能量密度和功率损失。
• 通过比较孤立环境与星系团环境中的场值，应用环境屏蔽效应，使用 ϕ ≈ 2βMPlΨenv。
• 通过要求单极辐射能量损失远小于超新星抛射物动能，估算 β 的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在广义 f(R) 引力中，变星和核心坍缩超新星的标量单极辐射能量损失率是多少？
• RQ2 物质耦合强度 β 如何影响单极辐射功率，特别是在 β ≫ 1 时？
• RQ3 未屏蔽区域中超新星的单极辐射能否提供对 f(R) 引力模型具有竞争力的约束？
• RQ4 星系团中的环境屏蔽如何影响标量场和恒星的单极辐射？
• RQ5 单极辐射在多大程度上影响恒星脉动和光度？它是否会改变周期-光度关系？

主要发现

• 在变星中，单极辐射功率最多为恒星光度的 ∼10−12β²，对当前约束可忽略不计。
• 对于核心坍缩超新星，单极能量损失足够显著，可对 β 施加约束，要求其能量损失远小于抛射物动能，从而得出 β ≲ 100(Ψs/10−6)。
• 在未屏蔽环境（如矮星系）中，SN1987a 在 Ψs ≳ 10−6 时可认为未被屏蔽，从而允许约束 β ≲ 100(Ψs/10−6)。
• 星系团中的环境屏蔽会减弱单极辐射，从而削弱约束，但对未屏蔽超新星而言，该约束依然有效。
• 远场区域的标量场响应按 1/r 衰减，保留时变扰动，使通过场梯度探测单极辐射成为可能。
• 本研究确认单极辐射不影响当前基于变星的约束，但为约束 β > 1 的广义 f(R) 模型提供了可行路径。