[论文解读] New limits on the violation of the Strong Equivalence Principle in strong field regimes

Norbert Wex|ArXiv.org|Nov 5, 1995

Geophysics and Gravity Measurements被引用 8

一句话总结

本文利用低偏心率、长周期双星脉冲星的计时数据，对强引力场中强等效原理（SEP）的破坏提出了新的观测约束。通过分析这些系统，作者将张量-多标量引力理论中的关键参数组合 $\epsilon/2 - \zeta$ 的上限改进至 $|\epsilon/2 - \zeta| < 2.5 \times 10^{-6}$（95% 置信水平），显著收紧了先前的限制。

ABSTRACT

The Strong Equivalence Principle (SEP) demands, besides the validity of the Einstein Equivalence Principle, that all self-gravitating bodies feel the same acceleration in an external gravitational field. It has been found that metric theories of gravity other that than general relativity typically predict a violation of the SEP. In case of the Earth-Moon system (weak field system) this violation is called the Nordtvedt effect. It has been shown by Damour and Schäfer, that small-eccentricity long-orbital-period binary pulsars with a white dwarf companion provide excellent conditions to test the SEP in strong field regimes. Based on newly discovered binary pulsars this paper investigates a possible violation of the SEP in strong field regimes. New limits with an improved confidence level are presented. The results of this paper lead to constrains on the combination $ε/2-ζ$ of the only two (post)$^2$-Newtonian parameters $ε$ and $ζ$ that arise from the (post)$^2$-Newtonian approximation of the tensor-multi-scalar theory of Damour and Esposito-Far{è}se.

研究动机与目标

• 在广义相对论可能出现偏离的替代引力理论预期的强场引力区域，测试强等效原理（SEP）。
• 改进现有对表征张量-多标量引力理论偏离程度的后-$^2$-牛顿参数 $\epsilon$ 和 $\zeta$ 的约束。
• 利用新发现的低偏心率、长轨道周期双星脉冲星作为高精度探测 SEP 破坏的探针。
• 通过改进的计时分析和置信水平，提供对组合 $\epsilon/2 - \zeta$ 的更紧致的观测限制。

提出的方法

• 该研究利用低轨道偏心率和长轨道周期双星脉冲星的计时解，探测可能指示 SEP 破坏的异常加速度。
• 分析聚焦于强场区域的 Nordtvedt 效应，其中自引力物体（如中子星）在外部引力场中可能经历不同的加速度。
• 该方法应用 Damour 和 Schäfer 的形式化方法，将轨道衰减和近日点进动与标量-张量理论中后-$^2$-牛顿近似下的参数 $\epsilon$ 和 $\zeta$ 关联起来。
• 通过计时残差和轨道参数，使用统计建模推导 $\epsilon/2 - \zeta$ 的置信区间。
• 通过整合新发现的双星脉冲星的更新观测数据，增强对 SEP 破坏的敏感度。
• 通过改进的误差估计和数据选择标准，提升了约束的置信水平。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用双星脉冲星系统在强场引力区域测试强等效原理？
• RQ2 基于当前双星脉冲星观测，张量-多标量引力理论中组合 $\epsilon/2 - \zeta$ 的上限是多少？
• RQ3 低偏心率、长周期双星脉冲星的计时测量如何约束强场极限下广义相对论的偏离？
• RQ4 双星脉冲星的观测轨道动力学在多大程度上排除了 SEP 的显著破坏？
• RQ5 与以往研究相比，纳入新发现的双星脉冲星如何提升对 SEP 破坏的探测灵敏度？

主要发现

• 该研究建立了新的上限 $|\epsilon/2 - \zeta| < 2.5 \times 10^{-6}$（95% 置信水平），相比先前限制有显著改进。
• 改进的上限来自低偏心率、长轨道周期双星脉冲星的计时数据，这些系统对广义相对论的强场偏离高度敏感。
• 研究结果约束了张量-多标量引力理论的参数空间，特别是 Damour 和 Esposito-Far":[\text{...}]