Exploring theories of gravity consistent with gravitational wave observations

• Project Area: Gravitational wave physics and astronomy: Genesis
• Project/Area Number: 20H04745
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Rikkyo University
• Principal Investigator: 小林 努 立教大学, 理学部, 教授 (40580212)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 宇宙論 / 重力 / 重力理論 / 重力波

Outline of Research at the Start

最新の重力波観測と整合的な重力理論として、数多くの一般相対論の拡張理論の中でどのようなものが許されるのかを探求する。特に、拡張された理論に現れる重力波放射に対する補正を正しく評価することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

スカラーの自由度を非動的とし、2つのテンソル自由度、すなわち一般相対性理論と同じ数の動的自由度を持つ空間共変修正重力を考察した。このような修正重力理論のうち、3つの時間関数で特徴づけられるクラスに着目し、2つのテンソル自由度を持つ修正重力が、観測的あるいは現象論的に一般相対性理論とどのように区別できるかを議論した。この理論が、弱い重力場と重力波の伝搬速度について、一般相対性理論と同じ予測を与えることを確認した。また、漸近的に平坦なブラックホール解に修正がないことを確認した。理論における時間依存関数の選択の自由度が大きいため、一様等方な宇宙論的ダイナミクスをΛCDMモデルに近づけるか、あるいは同一にすることができることがわかった。長波長および短波長の極限における宇宙論的摂動の振る舞いを調べ、いずれの極限においても、修正重力の効果は背景進化の修正を通じてのみ現れることを示した。最後に、物質セクターでガリレオンの場が存在する場合、スカラーの自由度が復活し、理論の本質的な特徴を台無しにしてしまうことを指摘した。
SU(2)ゲージ場あるいは互いに直交するベクトル場の3つ組が存在する場合の、一様・等方・正曲率の宇宙のダイナミクスを研究した。SU(2)の場合、ゲージ場の配置については以前から知られているアンザッツを用いるが、ノンアーベリアン対称性の場合はより非自明であり、新しいアンザッツを開発した。特に、アキシオン-SU(2)インフレーションとU(1)×U(1)×U(1)対称性を持つベクトル場によるインフレーションを考え、そのダイナミクスを詳細に数値的に解析した。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] CERN(スイス)
• [Int'l Joint Research] SISSA(イタリア)
• [Int'l Joint Research] Max Planck Inst.(ドイツ)
• [Journal Article] Distinguishing modified gravity with just two tensorial degrees of freedom from general relativity: Black holes, cosmology, and matter coupling (2021)
  • Author(s): Iyonaga Aya、Kobayashi Tsutomu
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 104 Issue: 12 Pages: 1-16
  • DOI: 10.1103/physrevd.104.124020
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Stars disformally coupled to a shift-symmetric scalar field (2021)
  • Author(s): Ikeda Tact、Iyonaga Aya、Kobayashi Tsutomu
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 104 Issue: 10 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1103/physrevd.104.104009
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dynamics of inflation with mutually orthogonal vector fields in a closed universe (2021)
  • Author(s): Murata Tomoaki、Kobayashi Tsutomu
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 104 Issue: 8 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1103/physrevd.104.083514
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The isotropic attractor solution of axion-SU(2) inflation: universal isotropization in Bianchi type-I geometry (2021)
  • Author(s): Wolfson Ira、Maleknejad Azadeh、Murata Tomoaki、Komatsu Eiichiro、Kobayashi Tsutomu
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2021 Issue: 09 Pages: 031-031
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2021/09/031
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Perturbations and quasinormal modes of black holes with time-dependent scalar hair in shift-symmetric scalar-tensor theories (2021)
  • Author(s): Tomikawa Keitaro、Kobayashi Tsutomu
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 103 Issue: 8 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1103/physrevd.103.084041
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gravitational waves in Kasner spacetimes and Rindler wedges in Regge-Wheeler gauge: Formulation of Unruh effect (2021)
  • Author(s): Sugiyama Yuuki、Yamamoto Kazuhiro、Kobayashi Tsutomu
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 103 Issue: 8 Pages: 1-20
  • DOI: 10.1103/physrevd.103.083503
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nanohertz gravitational waves from a null-energy-condition violation in the early universe (2020)
  • Author(s): Tahara Hiroaki W. H.、Kobayashi Tsutomu
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 102 Issue: 12 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1103/physrevd.102.123533
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] UV sensitive one-loop matter power spectrum in degenerate higher-order scalar-tensor theories (2020)
  • Author(s): Hirano Shin’ichi、Kobayashi Tsutomu、Yamauchi Daisuke、Yokoyama Shuichiro
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 102 Issue: 10 Pages: 1-15
  • DOI: 10.1103/physrevd.102.103505
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A new mechanism for freezing extra dimensions with higher-order curvature terms (2020)
  • Author(s): Tahara Hiroaki W.H.、Kobayashi Tsutomu、Yokoyama Jun'ichi
  • Journal Title: Physics Letters B Volume: 811 Pages: 135857-135857
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2020.135857
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Distinguishing modified gravity with just two tensorial degrees of freedom from general relativity (2021)
  • Author(s): Tsutomu Kobayashi
  • Organizer: 8th Korea-Japan workshop on Dark Energy
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Perturbations of black holes in shift-symmetric scalar-tensor theories (2021)
  • Author(s): Tsutomu Kobayashi
  • Organizer: QUARKS ONLINE WORKSHOPS 2021 Modification of Gravity Theories and Observations
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Nanohertz gravitational waves from NEC violation in the early universe (2020)
  • Author(s): Tsutomu Kobayashi
  • Organizer: 7th Korea-Japan workshop on dark energy
  • Int'l Joint Research / Invited