[论文解读] Spontaneous scalarization of neutron stars in teleparallel gravity with derivative torsional coupling

Youcef Kehal, Khireddine Nouicer|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2026

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 0

一句话总结

本文在一个耦合标量场到物质与扭량的平行化引力模型中，构建静态与缓慢自转的中子星解，揭示一个有界、依赖方程状态方程（EOS）的自发标量化及其对质量-半径关系与转动惯量的影响。

ABSTRACT

We study neutron star configurations in a teleparallel gravity model featuring a scalar field coupled to both matter and torsion. In the Einstein frame, the theory includes a derivative coupling between the scalar field and the torsion vector, together with a conformal matter coupling \(A(ϕ)=\exp(βϕ^{2}/2)\). Static and slowly rotating neutron-star solutions are constructed for realistic equations of state, focusing on the APR and MS1 equations of state. Scalarized solutions appear only within a finite range of central densities and correspond to localized deviations from the general-relativistic mass--radius and mass--central-density relations. The onset and extent of scalarization depend on the equation of state and on the strength of the derivative torsional interaction, which can either enhance or suppress scalarization relative to the general-relativistic scalarized branch. At high central densities, scalarization is quenched and the solutions approach the general-relativistic limit, remaining bounded even for strong torsional couplings. No scalarized solutions are found in the absence of matter coupling (\(β=0\)). The normalized scalar charge follows trends consistent with the global mass relations, indicating an intermediate scalarized regime suppressed at high compactness. For slowly rotating stars, the moment of inertia depends systematically on the torsional coupling and the equation of state, with stiffer equations yielding larger values. These results highlight the potential of neutron-star radius and rotational measurements to test teleparallel scalarization scenarios.

研究动机与目标

• 在一个具有标量-扭量和物质耦合的平行化引力模型中研究中子星配置。
• 确定导数扭量耦合与物质耦合如何影响静态与缓慢自转的中子星的标量化。
• 评估不同现实EOS（APR 和 MS1）对标量化及星体性质的影响。
• 描述标量化如何改变质量-半径、质量-中心密度关系以及转动惯量。
• 识别可通过中子星观测测量测试平行化标量化的观测信号。

提出的方法

• 在爱因斯坦框架中采用标量-扭量作用量，包含标量与扭量的导数耦合以及 conformal 物质耦合 A(phi)=exp(beta phi^2/2)。
• 使用Hartle–Thorne 形式在静态和缓慢自转的时空中推导改动的TOV结构方程。
• 利用数值射击法对APR和MS1方程组求解场方程，获取质量-半径、中心密度与标量电荷的关系。
• 分析线性扰动与有效质量m_eff^2，以理解通过反常格伦不稳定性引发的自发标量化的起始条件。
• 探讨导数扭量耦合xi和物质耦合beta如何影响标量化及标量化支承分支的有界性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有导数扭量耦合与物质耦合的平行化引力中，中子星是否会发生自发标量化？
• RQ2 导数扭量耦合xi和物质耦合beta如何影响APR与MS1这两种EOS下标量化的起始、范围与抑制？
• RQ3 与GR相比，质量-半径关系、中心密度阈值与标量电荷有哪些变化？
• RQ4 缓慢自转（转动惯量）如何响应于平行化耦合与EOS？
• RQ5 中子星半径与自转测量是否能检验平行化标量化情景？

主要发现

• 对于APR与MS1方程组，具标量化的中子星解只在有限的中心密度范围内存在。
• 标量化的起始与程度取决于方程状态方程及导数扭量耦合xi的强度与符号。
• 在高中心密度时，标量化被抑制，解趋近于广义相对论极限。
• 标量化分支的相对位置可位于高于或低于GR-like的标量化序列，这取决于xi的符号，表明平行化耦合对支撑的增强或抑制。
• 归一化的标量电荷Q与质量-半径关系反映中间的标量化区间，并显示出可能产生标量偶极辐射的偏离。
• 对于缓慢自转，转动惯量I随更硬的EOS系统性增加，并受xi影响，提供潜在的观测检验。