🛎 Cosmology in theories with spontaneous scalarization of neutron stars
📌 Authors: Ratchaphat Nakarachinda*, ***, Sirachak Panpanich**, Shinji Tsujikawa**, and Pitayuth Wongjun*
*1The Institute for Fundamental Study, Naresuan University, Phitsanulok 65000, Thailand
**Department of Physics, Waseda University, 3-4-1 Okubo, Shinjuku, Tokyo 169-8555, Japan
***The Royal Golden Jubilee Ph.D. Programme funded by National Research Council of Thailand (NRCT)
📌 ความสำคัญและที่มา
ทฤษฎีสเกลาร์-เทนเซอร์เป็นทฤษฎีขยายผลประเภทหนึ่งของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอสไตน์ โดยที่ทฤษฎีดังกล่าวมีสนามสเกลาร์คู่ควบกับความโน้มถ่วง เมื่อพิจารณาการคู่ควบประเภทเอกซ์โพเนนเชียลแบบไม่มินิมอลด้วยอาร์กิวเมนต์เป็นฟังก์ชันเพาเวอร์ลอว์กำลังคู่ของสนามสเกลาร์ พบว่ามีผลเฉลยสถิตและมีสมมาตรทรงกลมอยู่สองประเภท ประเภทแรกเรียกว่าผลเฉลยประเภท GR ซึ่งสนามสเกลาร์ไม่มีอยู่ ดังนั้นจึงเป็นผลเฉลยแบบเดียวกับที่มีในทฤษฎีสัมพัทธภาพ ประเภทของผลเฉลยอีกแบบหนึ่งคือกรณีของการมีอยู่ของสนามสเกลาร์ที่เป็นฟังก์ชันของพิกัดเชิงรัศมี ซึ่งผลเฉลยประเภทนี้สามารถบรรยายดาวนิวตรอนที่มีขนแบบสเกลาร์ ในบริเวณที่สนามความโน้มถ่วงมีความเข้มสูงพบว่าผลเฉลยประเภท GR ไม่สามารถอยู่ในสภาวะเสถียรอันเนื่องมาจากความไม่เสถียรแบบ tachyonic ของสนามสเกลาร์จนทำให้ผลเฉลยประเภท GR วิวัฒน์ไปหาผลเฉลยประเภทที่มีสนามสเกลาร์ ซึ่งปรากฏการณ์นี้เรียกว่า spontaneous scalarization
หากปรากฏการณ์ spontaneous scalarization ของดาวนิวตรอนเกิดขึ้นได้ สนามสเกลาร์จะโตขึ้นในช่วงต่างๆของวิวัฒนาการเชิงจักรวาลวิทยาอันเนื่องมาจากความไม่เสถียรแบบ tachyonic ดังที่ได้กล่าวไปข้างต้น แอมพลิจูดของสนามสเกลาร์ที่โตขึ้นนี้อาจจะละเมิดเงื่อนไขบังคับจากผลการสำรวจเชิงความโน้มถ่วงเฉพาะที่ นอกจากนี้แล้ว สนามสเกลาร์ต้องถูกยับยั้งไม่ให้โตขึ้นอย่างมีนัยเพียงพอที่จะเปลี่ยนแปลงการวิวัฒน์มาตรฐานของเอกภพในระดับจักรวาลวิทยา ซึ่งในความเป็นจริงแล้วการกระเพื่อมเชิงควอนตัมของสนามสเกลาร์มักจะเป็นส่วนสำคัญในการพิจารณาด้วย เนื่องจากแอมพลิจูดของการกระเพื่อมดังกล่าวมักจะถูกขยายด้วยปรากฏการณ์ parametric resonance ระหว่างเฟสที่เรียกว่า reheating ในช่วงยุคแรกเริ่มของเอกภพ ความพยายามหนึ่งที่จะแก้ปัญหาดังกล่าวนั้นคือการพิจารณาในสนามสเกลาร์คู่ควบกับสนามอินเฟลตอนผ่านการคู่ควบแบบ four-point แต่อย่างไรก็ตามยังไม่ได้มีการศึกษาในงานวิจัยที่ผ่านมาอย่างชัดเจนว่าวิวัฒนาการของสนามสเกลาร์ในช่วงเฟส reheating เป็นอย่างไร ดังนั้นผู้วิจัยจึงให้ความสนใจที่พลวัฒน์ของสนามสเกลาร์รวมไปถึงการกระเพื่อมเชิงควอนตัมของมัน ณ เฟสดังกล่าวเป็นพิเศษ
📌 ผลสัมฤทธิ์สำคัญ
สนามสเกลาร์ที่สอดคล้องกับปรากฏการณ์ spontaneous scalarization ของดาวนิวตรอน สามารถมีอยู่ได้ในทุกยุคของเอกภพ โดยการมีอยู่ดังกล่าวจะไม่ส่งผลกับการวิวัฒน์มาตรฐานในเชิงจักรวาลวิทยา อีกนัยนึงอาจกล่าวได้ว่าสนามสเกลาร์นั้นยังคงสอดคล้องกับเงื่อนไขบังคับจากผลการสำรวจของความโน้มถ่วงเฉพาะที่ ถึงแม้ว่าสนามดังกล่าวจะได้รับผลจากปรากฏการณ์ parametric resonance ในช่วงยุคแรกเริ่มของเอกภพก็ตาม
📌 Motivation and background
Scalar-tensor theories are extensions of Einstein’s general relativity (GR) in which a scalar field introduced in the theories is coupled to gravity. Considering nonminimal exponential couplings with even power-law functions of the scalar field, it is found that there are two possible branches of the static and spherically symmetric solutions. The first is called the GR branch. In this branch, the scalar field vanishes so that the solution is the same as that obtained in GR. Another branch is a nontrivial case that the scalar field as a function of the radial coordinate exists. This nontrivial branch represents a solution to describe scalar-hair neutron stars. In strong gravitational regimes, the GR branch can be unstable to trigger tachyonic instability of the scalar field to reach the nontrivial branch. This phenomenon is called spontaneous scalarization.
If the spontaneous scalarization of neutron stars occurs, the scalar field will grow during cosmic evolution due to the mentioned tachyonic stability. The amplitude of the growing scalar field might violate local gravity constraints. Moreover, at cosmological scale, the scalar field must be suppressed without significantly alternating the standard evolution of the Universe. In fact, the amplitude of the field fluctuation is typically amplified by a parametric resonance during the reheating phase of the early Universe. One of the attempts to reconcile this issue is to incorporate the four-point coupling between the scalar field and an inflaton field. However, the literature analysis does not consider the evolution of the scalar field during reheating. Our attention is particularly focused on the dynamics during the aforementioned phase in which the scalar field and its fluctuation can grow tremendously.
📌 Key results
The scalar field responsible for the spontaneous scalarization of neutron stars can exist in entire epochs of the Universe: inflation, (p)reheating, radiation-, matter-, dark energy-dominated epochs. There is no significant modification to standard cosmological evolution. In other words, the scalar field can be consistent with today’s local gravity constraints. This is even though it exhibits parametric resonance in the early Universe.
📌 Journal :
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.107.043512
#CGL #IFNU #PhysicsNaresuan
