[论文解读] The Galactic Center as a laboratory for theories of gravity and dark matter

Mariafelicia De Laurentis, Ivan De Martino+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2022

Relativity and Gravitational Theory参考文献 570被引用 5

一句话总结

本文综述了银河系中心作为检验引力与暗物质的独特实验室，借助对S星和Sgr A*的高精度观测，探测强场引力下的广义相对论。它展示了如何通过天体测量追踪、引力红移测量以及事件视界尺度成像，约束替代引力理论与暗物质模型，未来设施有望实现更严格的检验。

ABSTRACT

The Galactic Center of the Milky Way, thanks to its proximity, allows to perform astronomical observations that investigate physical phenomena at the edge of astrophysics and fundamental physics. As such, it offers a unique laboratory to probe gravity, where one can not only test the basic predictions of General Relativity, but is also able to falsify theories that, over time, have been proposed to modify or extend General Relativity; to test different paradigms of dark matter; and to place constraints on putative models that have been formulated as alternatives to the standard black hole paradigm in General Relativity. In this review we provide a general overview of the history of observations of the Galactic Center, emphasizing the importance, in particular on the smallest-observable scales, that they had in opening a new avenue to improve our understanding of the underlying theory of gravity in the surrounding of a supermassive compact object.

研究动机与目标

• 综述银河系中心作为在极端尺度下检验引力与暗物质的独特天体物理实验室。
• 分析S星与Sgr A*的观测如何对广义相对论及替代引力理论施加约束。
• 评估未来仪器在改进黑洞物理与暗物质范式检验方面的潜力。
• 评估银河系中心在证伪或验证广义引力理论与暗物质模型中的作用。
• 强调高分辨率天体测量、射电干涉测量与脉冲星计时在推动基础物理发展中的重要性。

提出的方法

• 利用S星的天体测量追踪，测量Sgr A*附近的轨道进动与引力红移。
• 应用甚长基线干涉测量（VLBI）对Sgr A*在事件视界尺度成像，探测强引力场中的光线偏折。
• 通过恒星与气体动力学分析，推断Sgr A*的质量、自旋与四极矩。
• 利用轨道与红移数据评估f(R)-引力与标量-张量-矢量引力（类似MOND）模型。
• 通过银河系中心质量分布的动力学约束，检验替代暗物质模型。
• 回顾参数化后牛顿形式（PPN）形式与GRMHD模拟等理论框架，以模拟强场引力。

实验结果

研究问题

• RQ1 S星的观测在多大程度上约束了在超大质量黑洞附近强场区域广义相对论的有效性？
• RQ2 S星的引力红移与轨道进动在多大程度上可用来检验广义相对论的预测？
• RQ3 事件视界尺度成像与Sgr A*的VLBI观测对替代引力理论施加了何种约束？
• RQ4 核星团与S星的动力学模型在多大程度上揭示了银河系中心暗物质的性质？
• RQ5 未来哪些观测能力将使引力与黑洞物理的检验更加严格？

主要发现

• S星的轨道进动与引力红移为在超大质量黑洞附近首次直接检验广义相对论提供了可能。
• Sgr A*的VLBI观测已以高精度约束了黑洞的质量与自旋，结果与广义相对论预测一致。
• 通过事件视界望远镜观测到的Sgr A*阴影证实了事件视界的存 在，并支持黑洞假说。
• S星轨道的约束排除了某些扩展引力模型（如f(R)-引力与类似MOND的理论）在银河系中心的可能性。
• GRAVITY+的升级以及SKA与下一代EHT等新一代仪器将实现亚毫角秒级分辨率与脉冲星计时，实现更精确的检验。
• 在相对论轨道上可能被ALMA与NOEMA探测到的射电脉冲星，或将成为迄今最严格的引力检验手段。