Exploring physics in the strong gravity regime with modified gravity

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。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、将来の重力波観測など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。一般に拡張重力理論の中には、観測による検証の土俵に乗る以前に、高階微分に由来する不安定性など根本的な問題があるものも多いが、研究代表者は、あるクラスのスカラーテンソル理論がそのような問題を回避しており、ブラックホールによる重力理論の検証を行うにあたって一般相対論の対抗馬として理想的に機能し得ることを示した。また、スカラーテンソル理論の枠組みとしてそれまで最も一般的であろうと思われていた縮退高階スカラーテンソル理論の枠組みを、場の高階微分を含んだ変数変換を用いて大幅に拡張することに成功した。この新たな重力理論の枠組みにより、宇宙初期のインフレーション、現在の宇宙の加速膨張を司るダークエネルギー、ブラックホールや重力波放出など、宇宙で生じる様々な現象に関する包括的研究が可能となる。

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。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、将来の重力波観測など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。一般に拡張重力理論の中には、観測による検証の土俵に乗る以前に、高階微分に由来する不安定性など根本的な問題があるものも多いが、研究代表者は、あるクラスのスカラーテンソル理論がそのような問題を回避しており、ブラックホールによる重力理論の検証を行うにあたって一般相対論の対抗馬として理想的に機能し得ることを示した。また、スカラーテンソル理論の枠組みとしてそれまで最も一般的であろうと思われていた縮退高階スカラーテンソル理論の枠組みを、場の高階微分を含んだ変数変換を用いて大幅に拡張することに成功した。この新たな重力理論の枠組みにより、宇宙初期のインフレーション、現在の宇宙の加速膨張を司るダークエネルギー、ブラックホールや重力波放出など、宇宙で生じる様々な現象に関する包括的研究が可能となる。