修正重力理論で探る強重力場の物理

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22KJ1646
• 配分区分: 基金
• 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): 2023-03-08 – 2024-03-31
• キーワード: 修正重力理論 / ブラックホール / 宇宙論 / 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拡張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。このような拡張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。
研究代表者は、スカラー場の高階微分まで含んだ変数変換を用いて、高階微分に伴う不安定性を回避可能なスカラーテンソル理論の枠組みを大幅に拡張することに成功した。この理論が現実の宇宙に存在する物質場と整合的に結合できるかを議論し、宇宙論観測による重力理論の検証に堪え得る理論のサブクラスを特定した。また、宇宙論の文脈で模型の詳細によらない定式化としてしばしば用いられるインフレーション/ダークエネルギーの有効理論を上記理論を含むよう拡張し、宇宙論的摂動の定式化を行った。
一方でこのような変数変換は、拡張重力理論における厳密解の生成手法としても有用である。研究代表者は、パリティ対称性を破るような可逆な共形変換が可能であることを示し、それを一般相対論における回転ブラックホール解 (Kerr時空) に適用することで、パリティを破る相互作用を含んだ重力理論における厳密な回転ブラックホール解を得ることに成功した。また、得られた時空における粒子の運動についても調べ、Kerr時空と観測的に区別可能であることを示した。

研究成果

• [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] バルセロナ大学(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: バルセロナ大学
• [雑誌論文] Exact solution for rotating black holes in parity-violating gravity (2024)
  • 著者名/発表者名: Tahara Hiroaki W H、Takahashi Kazufumi、Minamitsuji Masato、Motohashi Hayato
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2024 ページ: ptae046～ptae046
  • DOI: 10.1093/ptep/ptae046
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Effective field theory of black hole perturbations in vector-tensor gravity (2024)
  • 著者名/発表者名: Aoki Katsuki、Gorji Mohammad Ali、Mukohyama Shinji、Takahashi Kazufumi、Yingcharoenrat Vicharit
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2024 ページ: 012～012
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2024/03/012
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Black hole ringdown from physically sensible initial value problem in higher-order scalar-tensor theories (2024)
  • 著者名/発表者名: Nakashi Keisuke、Kimura Masashi、Motohashi Hayato、Takahashi Kazufumi
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 109 ページ: 024034～024034
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.109.024034
  • 査読あり
• [雑誌論文] Invertible disformal transformations with arbitrary higher-order derivatives (2023)
  • 著者名/発表者名: Takahashi Kazufumi
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 108 ページ: 084031～084031
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.108.084031
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quasinormal modes from EFT of black hole perturbations with timelike scalar profile (2023)
  • 著者名/発表者名: Mukohyama Shinji、Takahashi Kazufumi、Tomikawa Keitaro、Yingcharoenrat Vicharit
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2023 ページ: 050～050
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2023/07/050
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effective description of generalized disformal theories (2023)
  • 著者名/発表者名: Takahashi Kazufumi、Minamitsuji Masato、Motohashi Hayato
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2023 ページ: 009～009
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2023/07/009
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Consistency of higher-derivative couplings to matter fields in scalar-tensor gravity (2023)
  • 著者名/発表者名: Ikeda Tact、Takahashi Kazufumi、Kobayashi Tsutomu
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 108 ページ: 044006～044006
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.108.044006
  • 査読あり
• [学会発表] Quasinormal Modes from EFT of Black Hole Perturbations with Timelike Scalar Profile (2023)
  • 著者名/発表者名: 高橋一史
  • 学会等名: The 32nd Workshop on General Relativity and Gravitation in Japan
  • 国際学会
• [学会発表] EFT of black hole perturbations with timelike scalar profile (2023)
  • 著者名/発表者名: 高橋一史
  • 学会等名: Cosmology and Gravity at Kobe 2023
• [学会発表] Generalized disformal Horndeski theories: consistency of matter coupling and cosmological perturbations (2023)
  • 著者名/発表者名: 高橋一史
  • 学会等名: COSMO'23
  • 国際学会
• [学会発表] Generalized disformal Horndeski theories: beyond Horndeski and DHOST (2023)
  • 著者名/発表者名: 高橋一史
  • 学会等名: IBS CTPU-CGA Workshop on Modified Gravity
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 重力理論の新たな地平 --- 最も一般的な枠組みの確立 ---
  • URL: https://www.yukawa.kyoto-u.ac.jp/research/r359
• [学会・シンポジウム開催] Gravity 2023: Dawn of field theoretic approach (2023)