屏蔽修改引力的观测限制

摘要

Einstein的广义相对论(GR)是目前最成功的引力理论。尽管如此，在极小尺度高能区域，GR是不完备的，它应该被未知的量子引力所代替。另外，在GR框架下，为了解释宇宙大尺度观测数据，必须引入一些新的奇异物质，即暗物质和暗能量，这有可能暗示了GR在大尺度上的偏离。因此，GR在各种尺度和强场中的观测检验以及对GR的替代理论（修改引力）的研究是非常重要的研究方向。本文主要研究屏蔽修改引力(SMG)，它是一类具有屏蔽机制的标量张量引力。SMG理论最主要的特性是在高密度太阳系尺度标量场可以产生屏蔽效应来抑制标量力（五力）使得理论可以通过太阳系观测限制，而在低密度宇宙学尺度标量场可以充当暗能量来驱动宇宙加速膨胀。
　　本文我们详细计算了最一般SMG理论的参数化后牛顿(PPN)参数、有效引力常数和有效宇宙学常数，发现PPN参数和有效引力常数不仅依赖于距离而且依赖于物体的标量荷，我们联合太阳系和宇宙学的观测限制排除了最初的chameleon模型。同时，我们研究了在SMG理论中屏蔽机制如何影响脉冲双星系统的轨道动力学，详细计算了椭圆轨道运动下5个参数化后开普勒(PPK)参数:轨道近日点进动率(ω)，Einstein时间延迟的振幅γ，Shapiro时间延迟的振幅r和形状s，引力辐射导致的轨道周期衰减率Pb。结果发现，这些参数不仅依赖于脉冲星和其伴星的质量而且依赖于它们的标量荷。为了限制这些系统参量，我们选择了5个中子星-白矮星(NS-WD)双星系统，它们是PSRs J1141-6545、J1738+0333、J0348+0432、J1012+5307和J0751+1807。通过Monte Carlo模拟，我们分别计算了这5个双星的系统参量。结果发现，SMG通过了所有后开普勒效应的联合限制，其中脉冲双星PSR J1738+0333是对标量荷限制最强的系统。所有5个白矮星的标量荷都在相同的数量级(～10-3)，并且都在95.4％CL偏离零，这可能是GR偏离的一个微弱迹象，值得进一步深入探讨。同时我们发现这些系统中小质量白矮星的标量荷和质量之间存在一个反相关关系，与理论预言定性相符，这对屏蔽机制提供了有力支持。另外，相互独立的两个系统PSRsJ1738+0333和J0348+0432对标量背景φCEV的观测限制是相互一致的，联合这两个系统可以得到标量背景的联合限制结果φVEV=2.30+2.07-1.83×10-8MP(l)(95.4％CL)。最后，我们分别讨论了3种特殊的SMG理论:chameleon、symmetron和dilaton模型。我们应用SMG的一般性结果到这些特殊模型中，联合太阳系和脉冲双星系统的观测来分别限制这些模型。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

第2章 广义相对论回顾

2．1 广义相对论

2．1．2．牛顿极限

2．2 引力波

2．2．1．弱场近似和TT规范

2．2．2．平面波解

2．2．3．引力子自旋

2．3 线性理论

2．3．1．标量场

2．3．2．矢量场

2．3．3．Pauli-Fierz作用量

2．4 本章小结

第3章 修改引力

3．1 Lovelock定理

3．2 标量-张量引力

3．3 屏蔽修改引力

3．3．1．屏蔽修改引力简介

3．3．2．标量解

3．4 参数化后牛顿

3．4．1．PPN体系简介

3．4．2．PPN参数计算

3．5 本章小结

第4章 参数化后开普勒

4．1 PPK参数简介

4．1．2．Hulse-Taylor双星

4．2 作用量和PN解

4．2．2．弱场极限

4．2．3．近场PN解

4．3 守恒轨道运动的PPK参数

4．3．1．轨道近日点进动

4．3．2． Einstein时l司延迟

4．3．3．Shapiro时间延迟

4．4 轨道周期衰减

4．4．1．张量和标量能流

4．4．2．张量辐射

4．4．3．标量辐射

4．4．4．轨道周期衰减率

4．5 本章小结

第5章 实验限制

5．1 后牛顿引力的检验

5．1．1．PPNγ的限制

5．1．2．PPNβ的限制

5．1．3．目前PPN参数的观测限制

5．2 脉冲星

5．2．2．NS-WD脉冲双星

5．2．3． Monte Carlo模拟

5．3 脉冲星限制结果

5．3．1．NS-WD系统的限制

5．3．2．质量-标量荷图

5．3．3．标量背景ΦVEV和Sensitivity

5．4 本章小结

第6章 应用

6．1 Chameleon

6．1．1．Chameleon简介

6．1．2．Chameleon限制

6．2 Symmetron

6．2．1．Symmetron简介

6．2．2．Symmetron限制

6．3 Dilaton

6．3．1．Dilaton简介

6．3．2．Dilaton限制

6．4 本章小结

第7章 总结

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果