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2021 年度 実績報告書

修正重力理論で探る強重力場の物理

研究課題

研究課題/領域番号 21J00695
配分区分補助金
研究機関京都大学

研究代表者

高橋 一史  京都大学, 基礎物理学研究所, 特別研究員(PD)

研究期間 (年度) 2021-04-28 – 2024-03-31
キーワード修正重力理論 / ブラックホール / 摂動論
研究実績の概要

将来の重力波の観測によって、一般相対論では説明できないような観測結果が報告される可能性が高いことを考えると、一般相対論を超える重力理論を研究することは喫緊の課題である。このような動機から、これまでさまざまな修正重力理論が提案されてきた。これらの理論はいずれも、計量テンソル以外に新たな自由度を導入することにより、一般相対論を拡張したものと理解することができる。このような修正重力理論において普遍的に成り立つ性質を捉えるべく、計量に加えスカラー場を一つだけ含んだ重力理論であるスカラーテンソル理論が特に詳しく研究されてきた。
スカラーテンソル理論における時空の解は、一般にスカラー場の寄与のため一般相対論における時空とは異なるが、一般相対論と同じ厳密解を持つような理論も存在する。このような解は、背景のレベルで重力理論の修正による寄与が現れないことからステルス解と呼ばれる。一方でステルス解においても、摂動のレベルではスカラー場の影響が現れ、将来の観測により一般相対論との区別が可能となることが期待される。
研究代表者は、ゴーストのない修正重力理論の一般的な枠組みである縮退スカラーテンソル理論に着目し、球対称なステルスブラックホール解に関する摂動論を構築した。同時に、縮退スカラーテンソル理論の範疇では、時空の漸近領域で強結合の問題が不可避的に現れることを明らかにした。この結果は、ステルス解を整合的に記述するためには、さらに拡張された重力理論の枠組みが必要であることを示唆している。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

縮退スカラーテンソル理論はゴーストのない修正重力理論の一般的な枠組みであり、この枠組みにおけるステルスブラックホール解が一般に強結合の問題を持つというのは、普遍的かつ強力な結果である。これにより、縮退スカラーテンソル理論はステルス解を整合的に記述する理論的枠組みとしては適切でなく、さらに拡張された重力理論の枠組みを考える必要性が明らかとなった。縮退スカラーテンソル理論の場合における摂動論の定式化は、より広いクラスの重力理論で解析を行う際の重要な手掛かりとなることが期待される。以上のことから、本研究課題は現在までおおむね順調に進展していると判断する。

今後の研究の推進方策

縮退スカラーテンソル理論におけるステルス解まわりの摂動が強結合の問題を持つことを踏まえ、より広いクラスのゴーストのないスカラーテンソル理論、特にU-DHOST理論と呼ばれる枠組みにおけるステルス解の振舞いを調べる。縮退スカラーテンソル理論における強結合の問題は摂動の音速がゼロとなることに起因するが、U-DHOST理論では空間の高階微分項の存在により摂動の分散関係が改善され、同問題が回避可能となる公算が大きい。
今後は、U-DHOST理論におけるステルス解の構築から始め、その解のまわりの摂動を調べる。摂動解析にあたっては、縮退スカラーテンソル理論の場合における摂動論の定式化を応用可能であることが期待されるため、技術的にも大きな困難は生じないと考える。

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 2件、 査読あり 5件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 3件、 招待講演 1件)

  • [国際共同研究] Center for Astrophysics and Gravitation(ポルトガル)

    • 国名
      ポルトガル
    • 外国機関名
      Center for Astrophysics and Gravitation
  • [国際共同研究] National Tsing-Hua University(その他の国・地域(台湾))

    • 国名
      その他の国・地域
    • 外国機関名
      National Tsing-Hua University
  • [雑誌論文] Invertible disformal transformations with higher derivatives2022

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Kazufumi、Motohashi Hayato、Minamitsuji Masato
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 105 ページ: 024015~024015

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.105.024015

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] The effective field theory of vector-tensor theories2022

    • 著者名/発表者名
      Aoki Katsuki、Gorji Mohammad Ali、Mukohyama Shinji、Takahashi Kazufumi
    • 雑誌名

      Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

      巻: 2022 ページ: 059~059

    • DOI

      10.1088/1475-7516/2022/01/059

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nonlinear definition of the shadowy mode in higher-order scalar-tensor theories2021

    • 著者名/発表者名
      De Felice Antonio、Mukohyama Shinji、Takahashi Kazufumi
    • 雑誌名

      Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

      巻: 2021 ページ: 020~020

    • DOI

      10.1088/1475-7516/2021/12/020

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Cosmic no-hair conjecture and inflation with an SU(3) gauge field2021

    • 著者名/発表者名
      Gao Pengyuan、Takahashi Kazufumi、Ito Asuka、Soda Jiro
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 104 ページ: 103526~103526

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.104.103526

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Black hole perturbations in DHOST theories: master variables, gradient instability, and strong coupling2021

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Kazufumi、Motohashi Hayato
    • 雑誌名

      Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

      巻: 2021 ページ: 013~013

    • DOI

      10.1088/1475-7516/2021/08/013

    • 査読あり
  • [学会発表] Invertible disformal transformations with higher derivatives2022

    • 著者名/発表者名
      高橋一史
    • 学会等名
      日本物理学会 第77回年次大会
  • [学会発表] Invertible disformal transformations with higher derivatives2022

    • 著者名/発表者名
      Kazufumi Takahashi
    • 学会等名
      JGRG webinar series 2022
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Perturbations of stealth black holes in modified gravity2021

    • 著者名/発表者名
      Kazufumi Takahashi
    • 学会等名
      The 30th Workshop on General Relativity and Gravitation in Japan
    • 国際学会
  • [学会発表] Stealth solutions in scalar-tensor theories2021

    • 著者名/発表者名
      Kazufumi Takahashi
    • 学会等名
      8th Korea-Japan workshop on Dark Energy
    • 国際学会
  • [学会発表] 縮退スカラーテンソル理論におけるブラックホール摂動論2021

    • 著者名/発表者名
      高橋一史
    • 学会等名
      日本物理学会 2021年秋季大会

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公開日: 2022-12-28   更新日: 2023-08-01  

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