[论文解读] Neutron Stars in Scalar-tensor Gravity with Higgs Scalar Potential

Sergei D. Odintsov, V. K. Oikonomou|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用 5

一句话总结

本研究在标量-张量引力理论中，采用希格斯标量势作为标量场，推导并数值求解了爱因斯坦表象下的托尔曼-奥本海默-沃尔科夫方程，采用分段多相态方程（SLy、APR、WFF1）。研究发现，此前在广义相对论中被排除的WFF1方程，该框架下变得可行，并且其预测的中子星质量-半径关系与GW170817事件的约束一致。

ABSTRACT

The Higgs scalar which is the only experimentally verified fundamental cosmological scalar, is also known to produce a viable inflationary phenomenology. In this work we investigate the effects of the Higgs model on static neutron stars. Particularly we derive the Einstein frame Tolman-Oppenheimer-Volkoff equations, and by numerically integrating them for both the interior and the exterior of the neutron star, using a double shooting python 3 based numerical code, we extract the masses and radii of the neutron stars, along with the several other related physical quantities of interest. With regard to the equation of state for the neutron star, we use a piecewise polytropic equation of state with the central part being SLy, APR or the WFF1 equations of state. The resulting $M-R$ graphs are compatible with the observational bounds imposed by the GW170817 event which require the radius of a static $M\sim 1.6 M_{\odot}$ neutron star to be larger than $R=10.68^{+15}_{-0.04}$km and the radius of a static neutron star corresponding to the maximum mass of the star to be larger than $R=9.6^{+0.14}_{-0.03}$km. Moreover, the WFF1 EoS, which was excluded for static neutron stars in the context of general relativity, for the Higgs neutron star model provides realistic results compatible with the GW170817 event.

研究动机与目标

• 研究希格斯标量势对标量-张量引力中中子星结构的影响。
• 推导并求解中子星在标量-张量引力中的爱因斯坦表象托尔曼-奥本海默-沃尔科夫方程。
• 评估此前在广义相对论中被排除的方程（如WFF1）在此框架下是否变得物理上可行。
• 将预测的质量-半径关系与GW170817事件的观测约束进行比较。
• 确定希格斯介导的标量-张量引力与当前中子星数据的兼容性。

提出的方法

• 推导了在具有希格斯标量势的标量-张量引力中，中子星的爱因斯坦表象托尔曼-奥本海默-沃尔科夫方程。
• 采用在Python 3中实现的双点法数值方法，对中子星内部和外部的方程进行积分。
• 使用分段多相态方程（SLy、APR、WFF1）来建模中子星物质。
• 将希格斯势作为标量-张量框架中引力作用量的标量场贡献。
• 求解度规与标量场分布的耦合微分方程组，以确定物理可观测量。
• 从数值解中计算质量与半径，并与GW170817的观测边界进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标量-张量引力中，包含希格斯标量势如何影响中子星的质量-半径关系？
• RQ2 此前在广义相对论中被排除的WFF1方程，是否在此标量-张量模型中能产生一致的结果？
• RQ3 预测的质量-半径关系在多大程度上满足GW170817事件的约束？
• RQ4 在相同的标量-张量框架下，不同方程（SLy、APR、WFF1）的表现如何？
• RQ5 希格斯标量在广义相对论之外如何改变中子星结构？

主要发现

• 希格斯标量势使得在标量-张量引力中对中子星进行一致的物理描述成为可能，且结果具有物理可行性。
• 此前在广义相对论中被排除的WFF1方程，该模型下产生的质量-半径关系与GW170817约束一致。
• 1.6 M☉中子星的预测半径超过10.68 km，满足GW170817的下限约束。
• 最大质量中子星的半径预测大于9.6 km，与观测限制一致。
• 该模型预测的质量-半径关系与当前引力波和X射线观测数据在定量上相容。
• 数值解证实了该标量-张量框架在引入希格斯势后，对中子星构型具有稳定性和物理一致性。