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| Original Text | 日本語訳 |
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| Using gravitational waves to probe the geometry of the ringing remnant black hole formed in a binary black hole coalescence is a well-established way to test Einstein's theory of general relativity. However, doing so requires knowledge of when the predictions of black hole perturbation theory, i.e., quasi-normal modes (QNMs), are a valid description of the emitted gravitational wave as well as what the amplitudes of these excitations are. In this work, we develop an algorithm to systematically extract QNMs from the ringdown of black hole merger simulations. Our algorithm improves upon previous ones in three ways: it fits over the two-sphere, enabling a complete model of the strain; it performs a reverse-search in time for QNMs using a more robust nonlinear least squares routine called \texttt{VarPro}; and it checks the variance of QNM amplitudes, which we refer to as ``stability'', over an interval matching the natural time scale of each QNM. Using this algorithm, we not only demonstrate the stability of a multitude of QNMs and their overtones across the parameter space of quasi-circular, non-precessing binary black holes, but we also identify new quadratic QNMs that may be detectable in the near future using ground-based interferometers. Furthermore, we provide evidence which suggests that the source of remnant black hole perturbations is roughly independent of the overtone index in a given angular harmonic across binary parameter space, at least for overtones with $n\lesssim2$. This finding may hint at the spatiotemporal structure of ringdown perturbations in black hole coalescences, as well as the regime of validity of perturbation theory in the ringdown of these events. Our algorithm is made publicly available at the following GitHub repository: https://github.com/keefemitman/qnmfinder. | 連星ブラックホール合体時に形成されるリンギング残余ブラックホールの形状を重力波を用いて調べることは、アインシュタインの一般相対性理論を検証するための確立された方法である。 しかし、そのためには、ブラックホール摂動論の予測、すなわち準基準モード（QNM）が、放出された重力波の有効な記述となる時期と、これらの励起の振幅についての知識が必要である。 本研究では、ブラックホール合体シミュレーションのリングダウンからQNMを体系的に抽出するアルゴリズムを開発する。 このアルゴリズムは、従来のアルゴリズムを3つの点で改良している。 2球面上にフィッティングすることで歪みの完全なモデル化を可能にする。 \texttt{VarPro}と呼ばれるより堅牢な非線形最小二乗ルーチンを用いて、QNMの時間方向の逆探索を実行する。 そして、各QNMの自然な時間スケールに一致する区間にわたって、QNM振幅の分散（ここでは「安定性」と呼ぶ）を検証する。 このアルゴリズムを用いることで、準円形で歳差運動を起こさない連星ブラックホールのパラメータ空間全体にわたって、多数のQNMとその倍音の安定性を示すだけでなく、近い将来、地上干渉計を用いて検出可能になる可能性のある新しい2次QNMを特定する。 さらに、残留ブラックホール摂動の源は、少なくとも$n\lesssim2$の倍音については、連星パラメータ空間全体にわたる特定の角度の高調波の倍音指数とはほぼ独立であることを示唆する証拠も提供する。 この発見は、ブラックホール合体におけるリングダウン摂動の時空間構造、およびこれらのイベントのリングダウンにおける摂動理論の妥当性領域を示唆する可能性がある。 私たちのアルゴリズムは、以下のGitHubリポジトリで公開されています：https://github.com/keefemitman/qnmfinder。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| We review the conservation laws of magnetohydrodynamics (MHD) in an expanding homogeneous and isotropic Universe that can be applied to the study of early Universe physics during the epoch of radiation domination. The conservation laws for a conducting perfect fluid with relativistic bulk velocities in an expanding background are presented, extending previous results that apply in the limit of subrelativistic bulk motion. Furthermore, it is shown that the subrelativistic limit presents new corrections that have not been considered in previous work. We discuss the conformal invariance of the MHD equations for a radiation-dominated fluid and different types of scaling of the fluid variables that are relevant for other equations of state when the bulk velocity is subrelativistic. In particular, we review the super-comoving coordinates that scale the time coordinate with the Universe expansion, and present a particular choice that allows the equations to become conformally flat for any choice of the equation of state. Imperfect relativistic fluids are briefly described but their detailed study is not included in this work. We review the propagation of sound waves, Alfv\'en waves, and magnetosonic waves in the early Universe plasma. The Boris correction for relativistic Alfv\'en speeds is presented and adapted for early Universe applications. This review is an extension, including new results, of part of the lectures presented at the minicourse ``Simulations of Early Universe Magnetohydrodynamics'' lectured by A. Roper Pol and J. Schober at EPFL, as part of the six-week program ``Generation, evolution, and observations of cosmological magnetic fields'' at the Bernoulli Center in May 2024. | 我々は、輻射優勢期の初期宇宙物理学の研究に適用可能な、膨張する均質等方性宇宙における磁気流体力学（MHD）の保存則を概説する。 膨張背景における相対論的バルク速度を持つ導電性完全流体の保存則を提示し、亜相対論的バルク運動の極限に適用されるこれまでの結果を拡張する。 さらに、亜相対論的極限は、これまでの研究で考慮されていなかった新しい補正を提示することを示す。 我々は、輻射優勢流体に対するMHD方程式の共形不変性と、バルク速度が亜相対論的である場合に他の状態方程式に関係する流体変数の様々なタイプのスケーリングについて議論する。 特に、時間座標を宇宙膨張に合わせてスケーリングする超共動座標を概説し、どのような状態方程式を選択しても方程式が共形平坦になるような特別な選択を提示する。 不完全相対論的流体については簡単に説明するが、詳細な研究は本稿には含まれていない。 初期宇宙プラズマにおける音波、アルヴェーン波、磁気音波の伝播について概説する。 相対論的アルヴェーン速度に対するボリス補正を提示し、初期宇宙への応用に適応させた。 本レビューは、2024年5月にベルヌーイ・センターで開催される6週間のプログラム「宇宙磁場の生成、進化、観測」の一環として、EPFLでA. Roper PolとJ. Schoberが講義したミニコース「初期宇宙の磁気流体力学のシミュレーション」で行われた講義の一部を、新たな結果を含めて拡張したものである。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| Searching for a weak signal at an unknown frequency is a canonical task in experiments probing fundamental physics such as gravitational-wave observatories and ultra-light dark matter haloscopes. These state-of-the-art sensors are limited by quantum noise arising from the fundamental uncertainty about the state of the device. Classically, frequency estimation suffers from a threshold effect in the signal-to-noise ratio such that weak signals are extremely hard to localise in frequency. We show that this phenomenon persists at the fundamental quantum limit but that the classical approach, a quadrature measurement, can nevertheless be beaten by a coherent protocol of projecting onto the "quantum whitened" possible quantum states. Quantum whitening is a covariant measurement, and we examine it analytically in the wide-prior limit and numerically for finite-width priors. Beyond accelerating searches for unknown frequencies, quantum whitening may be used generally to sense the parameter of a unitary encoding given no prior information about the parameter. | 未知の周波数における微弱信号の探索は、重力波観測所や超軽量暗黒物質ハロスコープといった基礎物理学を探る実験において、典型的な課題である。 これらの最先端のセンサーは、デバイスの状態に関する根本的な不確実性から生じる量子雑音によって制限される。 古典的には、周波数推定は信号対雑音比の閾値効果の影響を受け、微弱信号を周波数において局在させることは極めて困難である。 我々は、この現象は基礎量子極限においても持続するが、それでもなお、古典的なアプローチである直交測定は、「量子白色化」可能な量子状態への射影というコヒーレントなプロトコルによって打ち負かすことができることを示す。 量子白色化は共変測定であり、我々はこれを広い事前分布の極限において解析的に、また有限幅の事前分布については数値的に検証する。 量子白色化は、未知の周波数の探索を加速するだけでなく、一般的に、パラメータに関する事前情報が与えられていない場合に、ユニタリ符号化のパラメータを検知するために使用できます。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| We study the axial (or odd-parity) perturbations of neutron stars in a one-parameter subclass of Degenerate Higher-Order Scalar-tensor (DHOST) theories. After recalling the equilibrium neutron star configurations obtained in a previous work by solving the generalised Tolman-Oppenheimer-Volkoff equations in DHOST theories, we derive the action at quadratic order in linear perturbations of axial type. We then compute the quasi-normal modes (QNMs) for several values of the modified gravity parameter and various equations of state, observing deviations of both frequencies and damping times with respect to general relativity. We also analyze the impact of our modified gravity parameter on the universal relations relating the (rescaled) frequencies and damping times to the compactness of the neutron star. | 我々は、縮退高次スカラーテンソル（DHOST）理論の1パラメータサブクラスを用いて、中性子星の軸状（または奇パリティ）摂動を調べる。 先行研究でDHOST理論の一般化トールマン・オッペンハイマー・ヴォルコフ方程式を解くことで得られた平衡中性子星配置を想起した後、軸状線形摂動における2次オーダーの作用を導く。 次に、修正重力パラメータと様々な状態方程式のいくつかの値に対して準基準モード（QNM）を計算し、一般相対論に対する周波数と減衰時間の偏差を観測する。 また、修正重力パラメータが、（再スケールされた）周波数と減衰時間と中性子星のコンパクトネスを関連付ける普遍的な関係に与える影響を解析する。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| In this work, we study field theoretic systems of a single axion-like field with linear potentials modulated by cosine terms, allegedly induced by non-perturbative instanton configurations. These systems are considered in expanding-Universe spacetime backgrounds (of Friedman-Lema$\hat{\rm i}$tre-Robertson-Walker type). Using a dynamical-system approach, we classify the various de-Sitter like (inflationary) vacua from the point of view of their stability, which depend on the values of the model parameters. In this respect, bifurcation points are found to be present for the various models under consideration. Part of the parameter space of the systems under consideration includes the running-vacuum (approximately) linear-axion monodromy potentials, considered in previous works by some of the authors, where inflation is induced by primordial gravitational-wave condensates. A particularly interesting case, corresponding to another part of the parameter space of the models, includes a series of stable de-Sitter vacua, which physically may correspond to a series of successive tunnelings of the system, via say non-perturbative effects, with a decreasing effective cosmological constant. Under certain values of the parameters, these successive tunnelings can reach a Minkowski spacetime, with zero value of the minimum of the axion potential. The situation is not dissimilar to the one of discrete inflation that arguably characterizes some minimal non-critical-string (Liouville) models of cosmology. Finally, for comparison, we also include in this article a dynamical-system study of standard axion-monodromy-modulated potentials characterizing some string/brane-compactification models of inflation. | 本研究では、非摂動的なインスタントン配置によって誘起されると考えられる、余弦項によって変調された線形ポテンシャルを持つ単一のアクシオン型場の場の理論的系を研究する。 これらの系は、膨張宇宙時空背景（Friedman-Lema$\hat{\rm i}$tre-Robertson-Walker 型）において考察される。 力学系アプローチを用いて、様々なデ・シッター型（インフレーション型）真空を、モデルパラメータの値に依存する安定性の観点から分類する。 この点において、検討対象の様々なモデルに分岐点が存在することがわかった。 検討対象の系のパラメータ空間の一部には、一部の著者らによる以前の研究で考察された、（近似的に）線形アクシオンモノドロミーポテンシャルであるランニング真空が含まれる。 このポテンシャルでは、原始重力波凝縮によってインフレーションが誘起される。 モデルのパラメータ空間の別の部分に対応する特に興味深いケースとして、一連の安定なデ・ジッター真空が含まれる。 これは、物理的には、例えば非摂動効果によって、有効宇宙定数が減少する系の連続トンネル効果の連続に対応する可能性がある。 パラメータの特定の値の下では、これらの連続トンネル効果は、アクシオンポテンシャルの最小値がゼロであるミンコフスキー時空に到達する可能性がある。 この状況は、いくつかの極小非臨界弦（リウヴィル）宇宙論モデルの特徴である離散インフレーションの状況と似ていないわけではない。 最後に、比較のために、インフレーションの弦/ブレーンコンパクト化モデルを特徴付ける標準的なアクシオンモノドロミー変調ポテンシャルの力学系の研究も本論文に含める。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| We consider Lorentzian General Relativity in a cavity with a timelike boundary, with conformal boundary conditions and also a generalization of these boundary conditions. We focus on the linearized gravitational dynamics about the static empty cavity whose boundary has spherical spatial geometry. It has been recently shown that there exist dynamical instabilities, whose angular dependence is given in terms of spherical harmonics $Y_{\ell m}$, and whose coefficient of exponential growth in time goes as $\sim \ell^{1/3}$. We use these modes to construct a sequence of solutions for which the initial data converge to zero as $\ell \rightarrow \infty$ but for which the solution itself does not converge to zero. This implies a lack of continuity of solutions on initial data, which shows that the initial value problem with these boundary conditions is not well-posed. This is in tension with recent mathematical work on well-posedness for such boundary conditions. | 時間的境界を持つ空洞におけるロレンツ一般相対論を、共形境界条件とこれらの境界条件の一般化を用いて考察する。 境界が球面空間形状を持つ静的空洞の周りの線形重力ダイナミクスに焦点を当てる。 最近、動的不安定性が存在し、その角度依存性は球面調和関数$Y_{\ell m}$で与えられ、時間に対する指数関数的増加係数は$\sim \ell^{1/3}$となることが示された。 これらのモードを用いて、初期データが$\ell \rightarrow \infty$としてゼロに収束するが、解自体はゼロに収束しない一連の解を構築する。 これは初期データ上で解の連続性が欠如していることを意味し、これらの境界条件を持つ初期値問題は適切ではないことを示している。 これは、そのような境界条件の適切性に関する最近の数学的研究と矛盾する。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| Motivated by the recent Year-2 data release of the DESI collaboration, we update our results on time-varying dark energy models driven by the Cohen-Kaplan-Nelson bound. The previously found preference of time-dependent dark energy models compared to $\Lambda$CDM is further strengthend by the new data release. For our particular models, we find that this preference increases up to $\approx 2.6\,\sigma$ depending on the used supernova dataset. | DESIコラボレーションのYear-2データリリースを受けて、Cohen-Kaplan-Nelson境界に基づく時間依存ダークエネルギーモデルに関する結果を更新しました。 時間依存ダークエネルギーモデルが$\Lambda$CDMよりも優れているというこれまでの知見は、今回の新しいデータリリースによってさらに強化されました。 私たちの特定のモデルでは、この優位性は、使用した超新星データセットに応じて最大$\approx 2.6\,\sigma$まで増加することがわかりました。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| In this work, we examine the onset of thermodynamic chaos in Hayward AdS black holes with string fluids, emphasizing the effects of temporal and spatially periodic perturbations. We apply Melnikov's approach to examine the perturbed Hamiltonian dynamics and detect the onset of chaotic behavior within the spinodal regime of the $(P-v)$ plot. In the case of temporal perturbations induced by thermal quenches, chaos occurs for perturbation amplitude $\gamma$ exceeding a critical threshold that can be determined by charge $q$ and the string fluid parameter. From the equation of state of the black hole, a general condition can be established indicating that under temporal perturbations, the existence of charge is an essential prerequisite for chaos. In this regime, neutral Hayward black holes do not exhibit chaotic dynamics. However, regardless of the presence of charge, spatial perturbations result in chaotic behavior. The nonlinear interplay between the regularized core geometry and string fluids drives the formation of homoclinic and heteroclinic orbits in phase space, validating the persistence of chaos. The results obtained in this work, highlights the role of nonlinear matter fields and curvature regularization mechanisms in governing thermodynamic instability and the onset of chaos in Hayward black holes in AdS. | 本研究では、弦流体を持つヘイワードAdSブラックホールにおける熱力学的カオスの発現を、時間的および空間的に周期的な摂動の影響に重点を置いて調べる。 メルニコフのアプローチを適用して、摂動を受けたハミルトニアンダイナミクスを調べ、(P-v)プロットのスピノーダル領域内でカオス的挙動の発現を検出する。 熱クエンチによって引き起こされる時間的摂動の場合、摂動振幅$\gamma$が電荷$q$と弦流体パラメータによって決定される臨界閾値を超えると、カオスが発生する。 ブラックホールの状態方程式から、時間的摂動下では電荷の存在がカオスの必須条件であることを示す一般条件を確立することができる。 この領域では、中性ヘイワードブラックホールはカオス的ダイナミクスを示さない。 しかし、電荷の存在に関わらず、空間的摂動はカオス的挙動をもたらす。 正規化されたコア形状と弦流体との間の非線形相互作用は、位相空間におけるホモクリニック軌道とヘテロクリニック軌道の形成を促し、カオスの持続性を立証する。 本研究で得られた結果は、AdSにおけるヘイワードブラックホールの熱力学的不安定性とカオスの発現を支配する非線形物質場と曲率正規化機構の役割を浮き彫りにする。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| We consider a model of inflation in which the inflaton field is a rolling axion with a potential which is flat enough to support an intermediate phase of USR inflation. Because of the Chern-Simons interaction, one polarization of the gauge field experiences the tachyonic growth during the first slow-roll stage, inducing large corrections in curvature perturbations via the inverse decay effect. A non-trivial feature of our setup is that once the system enters the USR phase, the instability parameter falls off rapidly, terminating the gauge field production efficiently. Consequently, the power spectrum involves two separate peaks, the first peak is induced by the gauge field particles production while the second peak is due to standard USR mechanism. We show that the power spectrum at the intermediate scales develops strong scale-dependence $\propto k^m$ with the index $m >4$. Calculating the bispectrum, we demonstrate that non-Gaussianities with non-trivial shapes and multiple peaks are generated in this setup. | 我々は、インフレーション模型において、インフレーション場がUSRインフレーションの中間段階を支えるのに十分平坦なポテンシャルを持つ回転アクシオンであると考える。 チャーン-サイモンズ相互作用により、ゲージ場の一方の偏波は最初のスローロール段階でタキオン的に成長し、逆減衰効果によって曲率摂動に大きな補正が生じる。 我々の実験設定の重要な特徴は、系がUSR段階に入ると不安定性パラメータが急速に減少し、ゲージ場生成が効率的に終了することである。 その結果、パワースペクトルには2つのピークが現れる。 最初のピークはゲージ場粒子生成によって誘起され、2番目のピークは標準的なUSR機構によるものである。 我々は、中間スケールにおけるパワースペクトルが強いスケール依存性$\propto k^m$を発現し、指数$m>4$を示すことを示す。 バイスペクトルを計算することで、この設定では、非自明な形状と複数のピークを持つ非ガウス性が生成されることを実証します。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| Probing the nature of dark matter (DM) remains an outstanding problem in modern cosmology. The 21 cm signal, as a sensitive tracer of neutral hydrogen during cosmic dawn, provides a unique means to investigate DM nature during this critical epoch. Annihilation and decay of DM particles, as well as Hawking radiation of primordial black holes (PBHs), can modify the thermal and ionization histories of the early universe, leaving distinctive imprints on the 21 cm power spectrum. Therefore, the redshifted 21 cm power spectrum serves as a powerful tool to investigate such DM processes. In this work, we systematically assess the potential of the upcoming Square Kilometre Array (SKA) to constrain DM and PBH parameters using the 21 cm power spectrum. Assuming $10,000$ hours of integration time, the SKA is projected to reach sensitivities of $\langle\sigma v\rangle \leq 10^{-28}\,{\rm cm}^{3}\,{\rm s}^{-1}$ and $\tau\geq 10^{28}\,{\rm seconds}$, for $10\,{\rm GeV}$ DM particles. It can also probe PBHs with masses of $10^{16}\,\mathrm{g}$ and abundances $f_{\mathrm{PBH}} \leq 10^{-6}$. These results indicate that the SKA could place constraints on DM annihilation, decay, and PBH Hawking radiation that are up to two to three orders of magnitude stronger than current limits. Furthermore, the SKA is expected to exceed existing bounds on sub-GeV DM and to probe Hawking radiation from PBHs with masses above $10^{17}\,{\rm g}$, which are otherwise inaccessible by conventional cosmological probes. Overall, the SKA holds great promise for advancing our understanding of both DM particles and PBHs, potentially offering new insights into the fundamental nature of DM. | 暗黒物質（DM）の性質を探ることは、現代宇宙論において依然として未解決の課題である。 宇宙の夜明け期における中性水素の高感度トレーサーである21cm信号は、この重要な時期におけるDMの性質を調査するための独自の手段を提供する。 DM粒子の消滅と崩壊、そして原始ブラックホール（PBH）のホーキング放射は、初期宇宙の熱史と電離史を変化させ、21cmパワースペクトルに特徴的な痕跡を残す可能性がある。 したがって、赤方偏移した21cmパワースペクトルは、このようなDM過程を調査するための強力なツールとして機能する。 本研究では、21cmパワースペクトルを用いて、今後予定されているスクエア・キロメートル・アレイ（SKA）がDMとPBHパラメータを制限する可能性を体系的に評価する。 SKAは、積分時間を10,000時間と仮定すると、10 GeVのDM粒子に対して、$\langle\sigma v\rangle \leq 10^{-28}\,{\rm cm}^{3}\,{\rm s}^{-1}$、$\tau\geq 10^{28}\,{\rm seconds}$の感度に達すると予測されています。 また、質量が$10^{16}\,\mathrm{g}$、存在比が$f_{\mathrm{PBH}} \leq 10^{-6}$のPBHも探査できます。 これらの結果は、SKAがDMの消滅、崩壊、およびPBHホーキング放射に対して、現在の限界よりも最大2桁から3桁強い制限を課す可能性があることを示唆しています。 さらに、SKAはサブGeVのDMに関する既存の限界を超え、従来の宇宙論的探査では到達不可能であった10^{17}\,{\rm g}$を超える質量を持つPBHからのホーキング放射を観測することが期待されています。 全体として、SKAはDM粒子とPBHの両方に関する理解を深め、DMの根本的な性質に関する新たな知見をもたらす可能性を秘めています。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| We classify $f(R)$ theories using a mathematical analogy between slow-roll inflation and the renormalization-group flow. We derive the power spectra and spectral indices class by class and compare them with the latest data. The framework used for the classification allows us to determine the general structure of the $f(R)$ functions that belong to each class. Our main result is that only two classes survive. Moreover, we show that the Starobinsky model is the only polynomial $f(R)$ that can realize slow-roll inflation. In fact, all other polynomials belong to a special class that can only realize constant-roll inflation, at least far enough in the past. We point out some of the issues involved in considering a smooth transition between constant-roll and slow-roll inflation in this class of models. Finally, we derive the map that transforms the results from the Jordan frame to the Einstein frame. | スローロールインフレーションと繰り込み群フローの数学的アナロジーを用いて、$f(R)$理論を分類する。 クラスごとにパワースペクトルとスペクトル指数を導出し、最新のデータと比較する。 この分類に用いた枠組みにより、各クラスに属する$f(R)$関数の一般構造を決定することができる。 主な結果は、2つのクラスのみが生き残るということである。 さらに、スタロビンスキー模型がスローロールインフレーションを実現できる唯一の多項式$f(R)$であることを示す。 実際、他のすべての多項式は、少なくとも十分に過去に遡って、定数ロールインフレーションのみを実現できる特別なクラスに属する。 このクラスのモデルにおいて、定数ロールインフレーションとスローロールインフレーション間の滑らかな遷移を考慮する際に生じるいくつかの問題を指摘する。 最後に、結果をジョルダンフレームからアインシュタインフレームに変換する写像を導出する。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| A fast-rolling axion can transfer its kinetic energy to a gauge field via the Chern-Simons coupling, leading to copious production of gauge quanta, which can act as a source of gravitational waves (GWs) with potentially observable amplitudes. In this work, we investigate GW production in a spectator axion model when strong backreaction is taken into account. We find that decreasing the decay constant of the axion enhances GW production. Since the initial value of the axion is larger than its quantum fluctuations, such a condition imposes a lower bound on the axion dacay constant, which sets an upper bound on the amplitude of the energy spectrum of GWs. As a result, the amplitude of the predicted GW energy spectrum is lower than $10^{-10}$ in the nHz to mHz frequency range. | 高速で回転するアクシオンは、チャーン・サイモンズ結合を介してその運動エネルギーをゲージ場に伝達することができ、その結果、観測可能な振幅を持つ重力波（GW）の発生源として作用するゲージ量子が大量に生成される。 本研究では、強い反作用を考慮したスペクテイターアクシオン模型における重力波生成を調査する。 アクシオンの崩壊定数を減少させると重力波生成が促進されることを見出した。 アクシオンの初期値は量子ゆらぎよりも大きいため、このような条件はアクシオン崩壊定数に下限を課し、重力波のエネルギースペクトルの振幅に上限を設定する。 その結果、予測される重力波エネルギースペクトルの振幅は、nHzからmHzの周波数範囲で$10^{-10}$未満となる。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| In this study, we aim to derive the entropy associated with a dark matter halo modeled using a double (broken) power-law density profile. Our approach is inspired by the pioneering work of Verlinde, who proposed that gravity may not be a fundamental force but rather an emergent phenomenon rooted in entropic principles. To investigate this idea, we examine four different dark matter halo profiles: the Dehnen-type, Hernquist, Jaffe, Plummer sphere, and the perfect sphere. Using these profiles, we derive corresponding entropy expressions and assess their consistency with the second law of thermodynamics, which governs the behavior of entropy in closed systems. Furthermore, to broaden the scope of our analysis, we extend the study to a cosmological context, allowing us to explore how the derived entropy expressions influence the dynamics of the Friedmann equations that describe the evolution of the universe. | 本研究では、二重（破れた）べき乗法則密度プロファイルを用いてモデル化された暗黒物質ハローに関連するエントロピーを導出することを目的とする。 我々のアプローチは、重力は根本的な力ではなく、エントロピー原理に根ざした創発現象である可能性を提唱したVerlindeの先駆的な研究に触発されている。 この考えを検証するために、我々は4つの異なる暗黒物質ハロープロファイル、すなわちデーンネン型、ヘルンキスト型、ヤッフェ型、プラマー球型、そして完全球型を検証する。 これらのプロファイルを用いて、対応するエントロピー表現を導出し、それらが閉鎖系におけるエントロピーの挙動を支配する熱力学第二法則と整合するかどうかを評価する。 さらに、分析の範囲を広げるために、研究を宇宙論的文脈に拡張し、導出されたエントロピー表現が宇宙の進化を記述するフリードマン方程式のダイナミクスにどのように影響するかを探求する。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| We present the frequency-domain quasi-circular precessing binary-black-hole model PhenomXPNR. This model combines the most precise available post-Newtonian description of the evolution of the precession dynamics through inspiral with merger-ringdown model informed by numerical relativity. This, along with a phenomenological model of the dominant multipole asymmetries, results in the most accurate and complete representation of the physics of precessing binaries natively in the frequency-domain to date. All state-of-the-art precessing models show bias when inferring binary parameters in certain regions of the parameter space. We demonstrate that the developments presented ensure that for some precessing systems PhenomXPNR shows the least degree of bias. Further, as a phenomenological, frequency-domain model, PhenomXPNR remains one of the most computationally efficient models available and is therefore well-suited to the era of gravitational-wave astronomy with its ever growing rate of detected signals. | 我々は、周波数領域準円形歳差運動連星ブラックホールモデルPhenomXPNRを提示する。 このモデルは、インスパイラル過程を通じた歳差運動ダイナミクスの発展に関する、利用可能な最も正確なポストニュートン的記述と、数値相対論に基づく合体リングダウンモデルとを統合する。 これは、主要な多極子非対称性の現象論的モデルと相まって、これまでで最も正確かつ完全な歳差運動連星の物理を周波数領域でネイティブに表現する。 最先端の歳差運動モデルはすべて、パラメータ空間の特定の領域における連星パラメータの推定時にバイアスを示す。 我々は、提示された開発により、いくつかの歳差運動系においてPhenomXPNRが最もバイアスの程度が低いことを示す。 さらに、現象論的周波数領域モデルであるPhenomXPNRは、利用可能なモデルの中で最も計算効率の高いものの1つであり、検出信号の増加が続く重力波天文学の時代に最適です。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| We investigate the stability of QNM spectra and greybody factors in the Schwarzschild black hole by approximating the Regge-Wheeler potential with a piecewise parabolic form and treating the deviation as a perturbation. We find that QNM spectra are sensitive to small perturbations, while greybody factors remain stable. This piecewise parabolic approximated potential gives rise to the long-lived modes whose imaginary parts remain close to zero and decrease slowly with overtone number increasing. The reflection coefficient shows distinct resonance feature in the high-frequency regime that are absent in the original R-W case. For the calculation of greybody factors, we employ an analytic method based on transfer matrix technique, and this approach can also be effectively used in other effective potential cases. | シュワルツシルトブラックホールにおけるQNMスペクトルと灰色体因子の安定性を、レッジェ・ホイーラーポテンシャルを区分放物線型で近似し、その偏差を摂動として扱うことで調べた。 その結果、QNMスペクトルは小さな摂動に敏感であるのに対し、灰色体因子は安定であることがわかった。 この区分放物線型近似ポテンシャルは、虚数部がゼロに近く、倍音数が増加するにつれて緩やかに減少する長寿命モードを生み出す。 反射係数は高周波領域で明確な共鳴特性を示すが、これは元のR-Wケースには見られなかった。 灰色体因子の計算には、転送行列法に基づく解析的手法を採用しており、この手法は他の有効ポテンシャルの場合にも効果的に適用できる。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| X-ray reflection spectroscopy has evolved as one of the leading methods to measure black hole spins. However, the question is whether its measurements are subjected to systematic biases, especially considering the possible discrepancy between the spin measurements inferred with this technique and those from gravitational wave observations. In this work, we use general relativistic magnetohydrodynamic (GRMHD) simulations of thin accretion disks around spinning black holes for modeling the accretion process, and then we simulate NuSTAR observations to test the capability of modern reflection models in recovering the input spins. For the first time, we model the electron density and ionization profiles from GRMHD-simulated disks. Our study reveals that current reflection models work well only for fast-rotating black holes. We model the corona as the base of the jet and we find that reflection models with lamppost emissivity profiles fail to recover the correct black hole spins. Reflection models with broken power-law emissivity profiles perform better. As we increase the complexity of the simulated models, it is more difficult to recover the correct input spins, pointing towards the need to update our current reflection models with more advanced accretion disks and coronal geometries. | X線反射分光法は、ブラックホールスピンを測定する主要な方法の一つとして発展してきました。 しかし、この手法で推定されるスピン測定結果と重力波観測結果との間に乖離が生じる可能性があることを考慮すると、測定値に系統的なバイアスが存在するかどうかが問題となります。 本研究では、回転するブラックホールの周囲の薄い降着円盤の一般相対論的磁気流体力学（GRMHD）シミュレーションを用いて降着過程をモデル化し、次にNuSTAR観測をシミュレートして、最新の反射モデルが入力スピンを復元できるかどうかを検証します。 GRMHDシミュレーションで得られた円盤の電子密度と電離プロファイルを初めてモデル化しました。 本研究は、現在の反射モデルが高速回転するブラックホールに対してのみ有効であることを示しています。 コロナをジェットの基部としてモデル化し、街灯柱の放射率プロファイルを用いた反射モデルでは正しいブラックホールスピンを復元できないことを明らかにしました。 べき乗則に反する放射率プロファイルを持つ反射モデルは、より優れた性能を発揮します。 シミュレーションモデルの複雑さが増すにつれて、正しい入力スピンを復元することがより困難になり、より高度な降着円盤とコロナ形状を用いて現在の反射モデルを更新する必要があることを示しています。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| Most theories that attempt to reproduce the Modified Newtonian Dynamics (MOND) phenomenology for dark matter at galactic scales rely on ad hoc free functions, preventing them from being regarded as fundamental. In this work, we present a new theory that reproduces MOND, built on a supposed to be fundamental Yang-Mills gauge field based on SU(2), with a gravitational coupling constant, and emerging in a low-acceleration regime, below the MOND acceleration scale. The gauge field plays the role of the internal force in the dipolar dark matter (DDM) model. We discuss how certain solutions of this theory recover the deep MOND regime without introducing arbitrary functions in the action. Within this framework, the MOND phenomenology appears to be due to the existence of a new sector of particle physics. | 銀河スケールにおける暗黒物質の修正ニュートン力学（MOND）現象を再現しようとする理論の多くは、アドホックな自由関数に依存しているため、基礎理論として捉えることができない。 本研究では、SU(2)に基づく基礎的なヤン・ミルズゲージ場と重力結合定数を基盤とし、MOND加速スケール以下の低加速領域で現れる、MONDを再現する新しい理論を提示する。 ゲージ場は双極子暗黒物質（DDM）モデルにおいて内部力の役割を果たす。 本理論の特定の解が、作用に任意の関数を導入することなく、どのようにして深いMOND領域を回復するかを議論する。 この枠組みにおいて、MOND現象は素粒子物理学の新しい分野の存在に起因すると考えられる。 |
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| The data release from the Atacama Cosmology Telescope (ACT) imposes stronger constraints on primordial black hole (PBH) formation in single-field inflation models than the Planck data. In particular, the updated Cosmic Microwave Background (CMB) radiation measurements favour a $higher$ scalar spectral index $n_s$ and its $positive$ running $\alpha_s$. Even in the absence of PBH production, the updated constraints together place many single-field models under tension with the CMB data. To explore this tension, we study PBH formation in an $\alpha$-attractor E-model. We investigate an impact of bending of the inflaton potential plateau toward reconciling the model with the new bounds for CMB observables. We find that attempts to increase $n_s$ by upward bending lead to negative values of $\alpha_s$ that are disfavoured by the new bounds. A possible model-building approach to resolve the tension is proposed. | アタカマ宇宙論望遠鏡（ACT）からのデータ公開は、プランクデータよりも強い制約を単一場インフレーションモデルに課す。 特に、更新された宇宙マイクロ波背景放射（CMB）放射測定は、より高いスカラースペクトル指数$n_s$とその正のランニング$\alpha_s$を支持する。 PBH生成がない場合でも、更新された制約は多くの単一場モデルをCMBデータとの緊張状態に置かせる。 この緊張を探るため、我々は$\alpha$アトラクターEモデルにおけるPBH形成を研究する。 インフレーションポテンシャルプラトーの曲げが、CMB観測量の新しい境界とモデルを調和させる上でどのような影響を与えるかを調べる。 上方曲げによって$n_s$を増加させようとする試みは、新しい境界に不利な負の$\alpha_s$値をもたらすことがわかった。 この緊張を解決するための可能なモデル構築アプローチが提案されています。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| Correspondences between apparently distant concepts are ubiquitous in theoretical physics. In the context of black holes (BHs), quasinormal modes (QNMs) were shown to be linked to both shadows, in the so-called eikonal limit, and graybody factors (GBFs), using the WKB approximation. We test the accuracy of the QNM-GBF correspondence in the context of the Hawking radiation for static and rotating black hole configurations, with particular attention to the superradiant regime. Our analysis reveals the correspondence failure to accurately reproduce the Hawking spectrum due to divergences. Furthermore, we bridge the gap between BH shadows and GBFs by drawing a correspondence between such quantities in the case of generic static and spherically symmetric spacetime configurations. The shadow-GBF correspondence is tested for some case studies, including regular BHs, and its limitations and applicability are discussed. This study opens new perspectives by introducing a new correspondence and remarking on the caution needed when considering these connections. | 理論物理学においては、一見かけ離れた概念間の対応関係が至る所で見られる。 ブラックホール（BH）の文脈において、準正規モード（QNM）は、いわゆるアイコナール極限におけるシャドウと、WKB近似を用いたグレーボディ因子（GBF）の両方に関連付けられることが示された。 本研究では、静的および回転するブラックホール構成、特に超放射領域におけるホーキング放射に関して、QNM-GBF対応の精度を検証する。 解析の結果、発散のために対応関係がホーキングスペクトルを正確に再現できないことが明らかになった。 さらに、一般的な静的および球対称時空構成の場合におけるこれらの量間の対応関係を描くことで、BHシャドウとGBF間のギャップを埋める。 シャドウ-GBF対応は、通常のBHを含むいくつかのケーススタディで検証され、その限界と適用可能性について議論される。 この研究は、新たな対応関係を提示し、これらの関連性を検討する際に必要な注意点について言及することで、新たな視点を切り開きます。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| The study of black hole shadows provides a powerful tool for testing the predictions of general relativity and exploring deviations from the standard Kerr metric in the strong gravitational field regime. Here, we investigate the shadow properties of axisymmetric gravitational compact objects using a coordinate-independent formalism. We analyze black hole shadows in various spacetime geometries, including the Kerr, Taub-NUT, $\gamma$, and Kaluza-Klein metrics, to identify distinctive features that can be used to constrain black hole parameters. To achieve a more robust characterization, we employ both Legendre and Fourier expansions, demonstrating that the Fourier approach may offer better coordinate independence and facilitate cross-model comparisons. Finally, we develop a machine learning framework based on neural networks trained on synthetic shadow data, enabling precise parameter estimation from observational results. Using data from observational astronomical facilities such as the Event Horizon Telescope (EHT), Keck, and the Very Large Telescope Interferometer (VLTI), we provide constraints on black hole parameters derived from shadow observations. Our findings highlight the potential of coordinate-independent techniques and machine learning for advancing black hole astrophysics and testing fundamental physics beyond general relativity. | ブラックホールシャドウの研究は、一般相対論の予測を検証し、強い重力場領域における標準的なカー計量からの逸脱を探求するための強力なツールとなる。 本研究では、座標非依存な形式論を用いて、軸対称重力コンパクト天体のシャドウ特性を調査する。 カー計量、タウブ-NUT計量、ガンマ計量、カルツァ-クライン計量など、様々な時空幾何学におけるブラックホールシャドウを解析し、ブラックホールパラメータの制限に使用できる特徴を特定する。 より堅牢な特性評価を実現するために、ルジャンドル展開とフーリエ展開の両方を採用し、フーリエ展開の方が座標非依存性に優れ、モデル間の比較が容易になる可能性があることを示す。 最後に、合成シャドウデータで学習したニューラルネットワークに基づく機械学習フレームワークを開発し、観測結果から正確なパラメータ推定を可能にする。 イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）、ケック望遠鏡、超大型望遠鏡干渉計（VLTI）などの観測天文施設のデータを用いて、ブラックホールの影の観測から得られるブラックホールのパラメータに対する制約条件を提示する。 この研究成果は、座標非依存手法と機械学習がブラックホール天体物理学の発展と、一般相対論を超えた基礎物理学の検証にどのような可能性をもたらすかを浮き彫りにするものである。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| The local primordial density fluctuations caused by quantum vacuum fluctuations during inflation grow into stars and galaxies in the late universe and, if they are large enough, also produce primordial black holes. We study the formation of the primordial black holes in $k$-essence inflation models with a potential characterized by an inflection point. The background and perturbation equations are integrated numerically for two specific models. Using the critical collapse and peaks formalism, we calculate the abundance of primordial black holes today. | インフレーション中の量子真空揺らぎによって引き起こされる局所的な原始密度揺らぎは、後期宇宙において星や銀河へと成長し、十分に大きければ原始ブラックホールも形成する。 我々は、変曲点を特徴とするポテンシャルを持つ$k$-エッセンス・インフレーション模型における原始ブラックホールの形成を研究する。 背景方程式と摂動方程式は、2つの特定のモデルについて数値積分される。 臨界崩壊とピーク形式を用いて、現在の原始ブラックホールの存在量を計算する。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| We study in detail the production of primordial black holes (PBHs), as well as their mass and initial spin, due to the phase transitions corresponding to radiative symmetry breaking (RSB) and featuring a large supercooling. The latter property allows us to use a model-independent approach. In this context, we demonstrate that the decay rate of the false vacuum grows exponentially with time to a high degree of accuracy, justifying a time dependence commonly assumed in the literature. Our study provides ready-to-use results for determining the abundance, mass and initial spin of PBHs generated in a generic RSB model with large supercooling. We find that PBHs are generically produced in a broad region of the model-independent parameter space. As an application, we identify the subregion that may explain recently reported microlensing anomalies. Additionally, we show that a simple Standard-Model extension, with right-handed neutrinos and gauged $B-L$ featuring RSB, may explain an anomaly of this sort in a region of its parameter space. | 我々は、放射対称性の破れ（RSB）に対応する相転移と大きな過冷却を特徴とする原始ブラックホール（PBH）の生成、ならびにその質量と初期スピンについて詳細に研究する。 後者の特性により、モデルに依存しないアプローチを用いることができる。 この文脈において、我々は偽真空の崩壊率が時間とともに指数関数的に高い精度で増加することを示し、文献で一般的に仮定されている時間依存性を正当化する。 本研究は、大きな過冷却を伴う一般的なRSBモデルで生成されるPBHの存在量、質量、初期スピンを決定するための、すぐに使用できる結果を提供する。 PBHは、モデルに依存しないパラメータ空間の広い領域で一般的に生成されることを発見した。 応用として、最近報告されたマイクロレンズ異常を説明できる可能性のあるサブ領域を特定する。 さらに、右巻きニュートリノとRSBを特徴とするゲージ付き$B-L$を用いた単純な標準モデルの拡張が、そのパラメータ空間の領域におけるこの種の異常を説明できる可能性があることを示す。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| Massive black hole binaries (MBHBs) and other sources within the frequency band of spaceborne gravitational wave observatories like the Laser Interferometer Space Antenna (LISA), Taiji and Tianqin pose unique challenges, as gaps and glitches during the years-long observation lead to both loss of information and spectral leakage. We propose a novel data imputation strategy based on Kalman filter and smoother to mitigate gap-induced biases in parameter estimation. Applied to a scenario where traditional windowing and smoothing technique introduce significant biases, our method mitigates the biases and demonstrates lower computational cost compared to existing data augmentation techniques such as noise inpainting. This framework presents a new gap treatment approach that balances robustness and efficiency for space-based gravitational wave data analysis. | レーザー干渉計宇宙アンテナ（LISA）、太極、天津といった宇宙重力波観測衛星の周波数帯域内にある巨大ブラックホール連星（MBHB）やその他の源は、長年にわたる観測中のギャップやグリッチが情報の損失とスペクトル漏洩の両方につながるため、特有の課題を提起します。 本稿では、パラメータ推定におけるギャップに起因するバイアスを軽減するために、カルマンフィルタとスムージングに基づく新たなデータ補完戦略を提案します。 従来のウィンドウ処理とスムージング手法が大きなバイアスをもたらすシナリオに適用することで、本手法はバイアスを軽減し、ノイズインペインティングなどの既存のデータ拡張手法と比較して計算コストが低いことを実証します。 このフレームワークは、宇宙ベースの重力波データ解析における堅牢性と効率性のバランスをとる、新たなギャップ処理アプローチを提示します。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| Gravitational-wave approximants are essential for gravitational-wave astronomy, allowing the coverage binary black hole parameter space for inference or match filtering without costly numerical relativity (NR) simulations, but generally trading some accuracy for computational efficiency. To reduce this trade-off, NR surrogate models can be constructed using interpolation within NR waveform space. We present a 2-stage training approach for neural network-based NR surrogate models. Initially trained on approximant-generated waveforms and then fine-tuned with NR data, these dual-stage artificial neural surrogate (\texttt{DANSur}) models offer rapid and competitively accurate waveform generation, generating millions in under 20ms on a GPU while keeping mean mismatches with NR around $10^{-4}$. Implemented in the \textsc{bilby} framework, we show they can be used for parameter estimation tasks. | 重力波近似値は重力波天文学に不可欠であり、コストのかかる数値相対論（NR）シミュレーションなしに、バイナリブラックホールパラメータ空間を推論やマッチングフィルタリングに利用できるが、一般的に計算効率と精度がある程度トレードオフされる。 このトレードオフを軽減するために、NR波形空間内での補間を用いてNRサロゲートモデルを構築することができる。 本稿では、ニューラルネットワークベースのNRサロゲートモデルのための2段階学習アプローチを提示する。 最初に近似値生成波形で学習し、次にNRデータで微調整するこれらの2段階人工ニューラルサロゲート（\texttt{DANSur}）モデルは、迅速かつ競争力のある精度の波形生成を提供し、GPU上で20ミリ秒未満で数百万個の波形を生成しながら、NRとの平均不一致を約10の-4乗に抑える。 \textsc{bilby}フレームワークに実装し、パラメータ推定タスクに使用できることを示します。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| In this note the Hamiltonian formulation of four-dimensional gravity, in the Palatini-Cartan formalism, is recovered by elimination of an auxiliary field appearing as part of the connection. | この論文では、パラティーニ・カルタン形式における4次元重力のハミルトン定式化を、接続の一部として現れる補助場を除去することによって回復する。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| Cosmological production of scalar, non-minimally coupled dark matter depends on the specifics of the inflationary model under consideration. We analyze both Starobinsky inflation and a quadratic potential, solve the full background dynamics, study pair production during inflation and reheating, and find that the observed dark matter abundance can be explained solely by this mechanism, regardless of the inflationary model. Qualitative differences between the two cases only appear for dark matter masses close to the inflationary scale. In addition, we identify a large region in parameter space in which cosmological production of dark matter is mostly independent of the chosen inflationary potential, highlighting the robustness of this dark matter production mechanism and its independence of the unknown particular details of inflation. In the region of masses lower than the scale of inflation, and sufficiently away from the conformal limit, the total comoving number density of produced particles becomes a function of the coupling to the geometry alone. This allows us to provide an approximated analytic expression for fitting the resulting abundance. | スカラー非最小結合暗黒物質の宇宙論的生成は、検討対象のインフレーションモデルの詳細に依存する。 我々はスタロビンスキー・インフレーションと2次ポテンシャルの両方を解析し、背景動力学を完全に解き、インフレーションと再加熱中の対生成を研究し、観測された暗黒物質の存在量は、インフレーションモデルに関わらず、このメカニズムによってのみ説明できることを見出した。 2つのケース間の質的な違いは、インフレーションスケールに近い暗黒物質質量においてのみ現れる。 さらに、我々はパラメータ空間において、暗黒物質の宇宙論的生成が選択されたインフレーションポテンシャルにほとんど依存しない広い領域を特定し、この暗黒物質生成メカニズムの堅牢性と、インフレーションの未知の詳細からの独立性を浮き彫りにした。 インフレーションスケールよりも小さく、共形限界から十分に離れた質量領域では、生成される粒子の全共動数密度は、幾何学との結合のみの関数となる。 これにより、得られた存在量を近似的に近似した解析式を提供することができます。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| In earlier companion papers, we showed that non-singular primordial black holes (PBHs) could account for all the dark matter (DM) over a significantly wider mass range compared to Schwarzschild PBHs. Those studies, mostly based on phenomenological metrics, are now extended by considering the quantum-corrected space-time recently proposed by Zhang, Lewandowski, Ma and Yang (ZLMY), derived from an effective canonical (loop) quantum gravity approach explicitly enforcing general covariance. Unlike the BHs considered earlier, ZLMY BHs are free from Cauchy horizons, and are hotter than their Schwarzschild counterparts. We show that this higher temperature boosts the evaporation spectra of ZLMY PBHs, tightening limits on their abundance relative to Schwarzschild PBHs and shrinking the asteroid mass window where they can constitute all the DM, a result which reverses the earlier trend, but rests on firmer theoretical ground. While stressing the potential key role of quantum gravity effects in addressing the singularity and DM problems, our study shows that working within a consistent theoretical framework can strongly affect observational predictions. | 以前の関連論文において、非特異原始ブラックホール（PBH）は、シュワルツシルトPBHと比較して、はるかに広い質量範囲にわたって暗黒物質（DM）のすべてを説明できることを示した。 これらの研究は主に現象論的指標に基づいていたが、現在では、Zhang、Lewandowski、Ma、Yangによって最近提案された量子補正時空（ZLMY）を考慮することで拡張されている。 ZLMY時空は、一般共変性を明示的に強制する有効正準（ループ）量子重力アプローチから導かれる。 これまで検討したBHとは異なり、ZLMY BHはコーシー地平線を持たず、シュワルツシルトBHよりも高温である。 この高温により、ZLMY PBH の蒸発スペクトルが強調され、シュワルツシルト PBH と比較してその存在量の限界が厳しくなり、それらがすべての DM を構成できる小惑星質量の枠が縮小することを示す。 これは以前の傾向を覆す結果であるが、より確固たる理論的根拠に基づいている。 特異点問題と DM 問題の解決において量子重力効果が重要な役割を果たす可能性があることを強調しつつ、本研究は、一貫した理論的枠組みの中で研究を行うことで、観測予測に大きな影響を与えることができることを示している。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| The coupling between matter fields and gravity (encoded in the geometry of spacetime) can be realized in various ways. Most commonly, a minimal coupling principle is employed, meaning that all matter fields, except spinors, couple only to the spacetime metric, while spinors additionally couple to the spacetime connection. Non-minimal couplings between matter fields and spacetime curvature can arise, for example, from quantum field theory on curved spacetime through renormalization corrections, in gauge theories of gravity, and in effective field theories. In this article, we consider a non-minimal coupling $F^{\mu\nu}\tilde{R}{\mu\nu}$ between the field strength tensor of the electromagnetic field $F{\mu\nu}$ and the antisymmetric part of the Ricci tensor $\tilde{R}_{[\mu\nu]}$ in Riemann-Cartan geometry, which is based on a general metric-compatible connection with torsion. We find an exact 4-dimensional vacuum solution that generalizes the Reissner-Nordstr\"om black hole from Einstein-Maxwell and reveals new interactions between the intrinsic torsion-spin charge and the electric charge. Qualitatively, this solution exhibits two distinct features: the effective charge is not constrained to be positive, and the sign of the electric charge influences its gravitational effects. We also derive slowly rotating solutions in 3 dimensions, representing a generalized slowly rotating BTZ black hole solution with couplings among the magnetic and electric charges, the angular momentum, and the intrinsic torsion-spin charge. | 物質場と重力（時空の幾何学にコード化されている）との結合は、様々な方法で実現できる。 最も一般的なのは、最小結合原理である。 これは、スピノルを除くすべての物質場が時空計量にのみ結合し、スピノルは時空接続にも結合することを意味する。 物質場と時空の曲率との間の非最小結合は、例えば、曲がった時空上の量子場の理論における繰り込み補正、重力のゲージ理論、有効場の理論などから生じる。 本稿では、リーマン・カルタン幾何学における電磁場の場強度テンソル$F{\mu\nu}$とリッチテンソルの反対称部分$\tilde{R}_{[\mu\nu]}$との間の非最小結合$F^{\mu\nu}\tilde{R}{\mu\nu}$を考察する。 これは、ねじれを伴う一般的な計量適合接続に基づく。 我々は、アインシュタイン-マクスウェルのライスナー-ノルドストローム・ブラックホールを一般化し、固有のねじれ-スピン電荷と電荷との間の新しい相互作用を明らかにする正確な4次元真空解を見出した。 定性的に、この解は2つの異なる特徴を示す。 すなわち、有効電荷は正に制約されないこと、そして電荷の符号が重力効果に影響を与えることである。 また、我々は3次元においてゆっくり回転する解を導出し、磁気電荷と電荷、角運動量、および固有のねじれ-スピン電荷間の結合を伴う、一般化されたゆっくり回転するBTZブラックホール解を表現する。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| From the duality between the interaction region of colliding waves and black holes (BHs) it is known that certain BH solutions can be obtained from colliding gravity coupled electromagnetic (em) waves. In the limit of vanishing gravity waves, we show that extremal Reissner-Nordstrom (RN) BH can form. We show also that direct collision of pure em waves creates the near horizon geometry (NHG) of the same BH, supporting our point. Due to the quantum restrictions such BHs can have horizon radii in the range $R>10^{8}m$. If such BHs from pure light do exist this may open a new frontier in our understanding of cosmological BHs at large. The generation of impulsive gravitational waves in the process may be instrumental in the detection of a BH created from pure light. | 衝突波とブラックホール（BH）の相互作用領域間の双対性から、衝突する重力結合電磁波（em）から特定のBH解が得られることが知られている。 重力波が消滅する極限において、極限ライスナー・ノルドストローム（RN）BHが形成されることを示す。 また、純粋な電磁波の直接衝突によって、同じBHの近地平線幾何学（NHG）が形成されることも示し、我々の主張を裏付ける。 量子的制約により、このようなBHは地平線半径が$R>10^{8}m$の範囲にある可能性がある。 もし純粋な光から生じるこのようなBHが実際に存在するならば、宇宙論的BH全般に対する理解に新たな境地を開く可能性がある。 この過程で生成される衝撃的な重力波は、純粋な光から生成されるBHの検出に役立つ可能性がある。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| General relativity predicts that gravitational waves are described by two polarisation states: the plus $+$ state and cross $\times$ state. However, alternate theories of gravity allow up to six polarisations. We employ the gravitational-wave null stream, a linear combination of three or more detectors where the $+$ and $\times$ signals add to zero, leaving behind noise and potentially gravitational waves in non-standard polarisation states. We develop a Gaussian process model to search for extra polarisations beyond general relativity. Using data from 42 three-detector events from LIGO-Virgo-KAGRA's Third Gravitational-Wave Transient Catalogue, we find no evidence of non-standard polarisations. We set upper limits on the fractional deviation in gravitational-wave strain to be as low as 0.39 at 90% credibility for the event GW190602_175927. | 一般相対性理論では、重力波はプラス $+$ 状態とクロス $\times$ 状態の2つの偏光状態で記述されると予測されています。 しかし、他の重力理論では最大6つの偏光状態が許容されています。 我々は、3つ以上の検出器の線形結合である重力波ヌルストリームを用います。 このヌルストリームでは、$+$ 信号と $\times$ 信号の和がゼロになり、ノイズと、非標準的な偏光状態にある可能性のある重力波が残ります。 我々は、一般相対性理論を超える追加の偏光状態を探索するために、ガウス過程モデルを開発しました。 LIGO-Virgo-KAGRAの第3次重力波トランジェントカタログから得られた42の3検出器イベントのデータを用いて、非標準的な偏光状態の証拠は見つかりませんでした。 重力波歪みの分数偏差の上限を、事象の信頼性90%で0.39まで低下させるよう設定した。 GW190602_175927。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| We study the dynamics of gravitons in a squeezed vacuum state under a thermal radiation background. Unlike traditional treatments that rely on the Boltzmann equation, we employ the Heisenberg equation and average it over general quantum states. In contrast to the usual Boltzmann-based descriptions, our approach captures the subtleties arising from quantum coherence in different number eigenstates, which is essential for soft graviton modes in the squeezed vacuum state. Our new method successfully reproduces the previous one-loop results within the in-in formalism when the expansion parameter is small and deviates significantly as the parameter increases, indicating that our results extend beyond the one-loop in-in formalism. We examine the implications of graviton emission effects stimulated by quantum coherence in both flat and expanding backgrounds. In the flat background, it is found that backreaction of radiation on the spacetime dynamics is crucial for significant stimulated emission. In the expanding background, to avoid the subtleties associated with superhorizon modes, we investigate the effect of emission within the horizon immediately after reheating and find a significant effect. We also examined the IR graviton evolution from a symmetry perspective and propose a regularization prescription to eliminate the secular growth problem. | 熱放射背景下のスクイーズド真空状態における重力子のダイナミクスを研究する。 ボルツマン方程式に依拠する従来の手法とは異なり、我々はハイゼンベルク方程式を用い、それを一般の量子状態にわたって平均化する。 通常のボルツマンに基づく記述とは対照的に、我々のアプローチは、スクイーズド真空状態におけるソフト重力子モードにとって本質的な、異なる数固有状態における量子コヒーレンスから生じる微妙な差異を捉える。 我々の新しい手法は、膨張パラメータが小さい場合には、これまでの1ループ結果をin-in形式の範囲内でうまく再現し、パラメータが増加するにつれて大きく逸脱することから、我々の結果が1ループin-in形式の範囲を超えていることを示している。 我々は、平坦背景と膨張背景の両方において、量子コヒーレンスによって刺激される重力子放出効果の影響を検証する。 平坦背景においては、放射の時空ダイナミクスへの反作用が、顕著な誘導放出に決定的に重要であることがわかった。 膨張背景において、超地平線モードに関連する微妙な問題を回避するために、再加熱直後の地平線内での放射の効果を調べ、有意な効果を見出した。 また、IR重力子の進化を対称性の観点から調べ、永年成長の問題を排除するための正規化処方を提案した。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| Space-borne gravitational wave detection will open the observation window in the 0.1 mHz$-$1 Hz bandwidth, playing a crucial role in the development of cosmology and physics. Precise clock synchronization among satellites is essential for the accurate detection of gravitational wave signals. However, the independent clock counting mechanisms of each satellite pose a significant challenge. This work reports the mathematical model of clock asynchrony, which is mainly dominated by the constant term factor and the linear term factor. Moreover, it experimentally verifies the clock asynchronization technique based on a dual-phasemeter system. Through experimentation, the impacts of these two aspects of clock asynchrony were confirmed, and post-processing techniques were employed to reduce these impacts to as low as $\rm 2\pi \times 10^{-6} rad/Hz^{1/2}@ 3mHz$. Specifically, the constant term factor is measured by Time-delay Interferometry Ranging (TDIR), while the linear term factor can be gauged by clock transmission link. This study provides a reference for understanding the clock asynchrony mechanism and processing clock synchronization issues. Additionally, a low additional noise clock synchronization test system is introduced to support such measurements. | 宇宙搭載重力波検出は、0.1 mHz～1 Hz帯域における観測の窓を開き、宇宙論および物理学の発展において極めて重要な役割を果たす。 重力波信号を正確に検出するには、衛星間の高精度なクロック同期が不可欠である。 しかしながら、各衛星が独立にクロックカウント機構を保有していることが大きな課題となっている。 本研究では、主に定数項因子と線形項因子によって支配されるクロック非同期の数理モデルを報告する。 さらに、デュアル位相計システムに基づくクロック非同期技術を実験的に検証する。 実験を通じて、クロック非同期のこれら2つの側面の影響を確認し、後処理技術を用いることで、これらの影響を3 mHzで$\rm 2\pi \times 10^{-6} rad/Hz^{1/2}まで低減することに成功した。 具体的には、定数項係数は時間遅延干渉測距（TDIR）によって測定され、線形項係数はクロック伝送リンクによって測定されます。 本研究は、クロック非同期のメカニズムを理解し、クロック同期の問題を処理するための参考資料を提供します。 さらに、このような測定をサポートするために、低ノイズ追加クロック同期テストシステムを導入します。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| This paper aims to develop non-interacting ghost dark energy and generalized ghost dark energy models within the framework of $f(Q)$ theory using the correspondence scheme. We use pressureless matter and a power-law scale factor. The cosmic implications of the resulting models are studied through the equation of state parameter and the phase planes. We also check the stability of the reconstructed models through the squared speed of sound parameter. The equation of state parameter exhibits a phantom era, the $(\omega_{D}-\omega^{\prime}_{D})$-plane indicates a freezing region, while the $(r-s)$-plane corresponds to the Chaplygin gas model for both models. It is also found that only the generalized ghost dark energy model remains stable throughout cosmic evolution. We conclude that our findings align well with current observational data. | 本論文は、対応スキームを用いて、$f(Q)$理論の枠組みの中で、非相互作用ゴーストダークエネルギーモデルと一般化ゴーストダークエネルギーモデルを構築することを目的としている。 圧力ゼロの物質とべき乗則スケールファクターを用いる。 得られたモデルの宇宙的意義を、状態方程式パラメータと位相平面を用いて考察する。 また、再構成モデルの安定性を音速の2乗パラメータを用いて検証する。 状態方程式パラメータはファントム時代を示し、$(\omega_{D}-\omega^{\prime}_{D})$平面は凍結領域を示し、$(r-s)$平面は両モデルにおいてチャプリギン気体モデルに対応する。 また、一般化ゴーストダークエネルギーモデルのみが宇宙進化を通して安定であることもわかった。 これらの知見は、現在の観測データとよく一致すると結論付ける。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| In this paper, we would like to examine whether the S\'aez-Ballester theory admits stable and attractive Bianchi type I inflationary solutions in the presence of a non-minimal coupling between scalar and vector fields such as $f^2(\phi)F_{\mu\nu}F^{\mu\nu}$. As a result, such a solution will be shown to exist within this theory for a suitable setup of fields. Interestingly, the considered S\'aez-Ballester theory can be shown to be equivalent to the standard scalar-vector theory via a suitable field redefinition. This means that the obtained solution can be reduced to that derived in an original anisotropic inflation model proposed by Kanno, Soda, and Watanabe. Consequently, the corresponding tensor-to-scalar ratio of this solution turns out to be higher than the latest observational value of the Planck satellite (Planck 2018) due to the fact that $c_s$, the corresponding speed of sound of scalar perturbations of the S\'aez-Ballester theory, turns out to be one. This result indicates an important hint that the speed of sound, $c_s$, could play an important role in making the corresponding non-canonical anisotropic inflation cosmologically viable in the light of the Planck 2018 data. To be more specific, we will point out that any modifications of the S\'aez-Ballester theory having $c_s \sim 0.1$ will have a great potential to be highly consistent with the Planck 2018 data. For heuristic reasons, a simple modified version of the S\'aez-Ballester theory will be proposed as a specific demonstration. As a result, we will show that this modified model admits an anisotropic power-law inflationary solution as expected. | 本論文では、S\'aez-Ballester理論が、$f^2(\phi)F_{\mu\nu}F^{\mu\nu}$のようなスカラー場とベクトル場の非極小結合が存在する場合、安定かつ魅力的なビアンキI型インフレーション解を許容するかどうかを検証する。 その結果、適切な場の設定において、そのような解がこの理論内に存在することが示される。 興味深いことに、検討中のS\'aez-Ballester理論は、適切な場の再定義により、標準的なスカラー-ベクトル理論と等価であることが示される。 これは、得られた解が、菅野、曽田、渡辺によって提案された独自の異方性インフレーションモデルで導出される解に帰着できることを意味する。 その結果、この解の対応するテンソル対スカラー比は、プランク衛星の最新の観測値（Planck 2018）よりも高いことが判明しました。 これは、S\'aez-Ballester理論のスカラー摂動の対応する音速$c_s$が1であるという事実によるものです。 この結果は、音速$c_s$が、プランク2018のデータに照らして、対応する非正準異方性インフレーションを宇宙論的に実現可能にする上で重要な役割を果たす可能性があるという重要なヒントを示しています。 より具体的には、$c_s \sim 0.1$を持つS\'aez-Ballester理論のいかなる修正も、プランク2018データと高い整合性を示す可能性が高いことを指摘します。 経験的な理由から、S\'aez-Ballester理論の単純な修正版を具体的な実証として提案する。 その結果、この修正モデルが予想通り異方的なべき乗則インフレーション解を許容することを示す。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| Phantom scalar fields, as a viable candidate for dark energy, have been instrumental in eliminating spacetime singularities and constructing wormholes and regular black holes. We investigate the Einstein-Maxwell-phantom (EMP) framework, in which the Ellis wormholes can be charged and regular black holes can be admitted. While the previous study has shown the stability of EMP wormholes under massless scalar field perturbations, we further perform a comprehensive linear analysis of the EMP spacetime through phantom scalar field perturbations and gravito-electromagnetic field perturbations. Our analyses of effective potentials and finite difference time profiles reveal the linear instability of EMP wormholes. In the black hole scenario, the quasinormal spectra of the EMP theory, where the matrix-valued direct integration method and the Prony method are used, recover those of general relativity when the scalar charge goes to zero. By introducing the concepts of generalized specific charge and mixing angle, we quantify how the relative contributions between the phantom scalar and the electromagnetic fields produce distinct modifications in the quasinormal spectra. | ファントムスカラー場は、ダークエネルギーの有力な候補として、時空特異点の消滅、ワームホールおよび通常のブラックホールの構築に重要な役割を果たしてきた。 我々は、エリスワームホールを荷電し、通常のブラックホールを許容できるアインシュタイン・マクスウェルファントム（EMP）枠組みを調査する。 先行研究では、質量ゼロのスカラー場摂動下におけるEMPワームホールの安定性が示されているが、我々はさらに、ファントムスカラー場摂動と重力電磁場摂動を通して、EMP時空の包括的な線形解析を行う。 有効ポテンシャルと差分時間プロファイルの解析により、EMPワームホールの線形不安定性が明らかになる。 ブラックホールのシナリオでは、行列値直接積分法とプロニー法を用いたEMP理論の準正規スペクトルは、スカラー荷電がゼロになると一般相対論のスペクトルに戻る。 一般化比電荷と混合角の概念を導入することにより、ファントムスカラーと電磁場の相対的な寄与が、準正規スペクトルにどのような明確な変化をもたらすかを定量化する。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| Using a conformal extension of the Geroch-Held-Penrose (GHP) formalism I derive a manifestly covariant and conformal expression of Newman-Penrose (NP) constants, which are a set of conserved quantities associated to solutions to the wave equation on light cones in Minkowski space. The resulting expression generalizes to massless fields of arbitrary spin -- including the electromagnetic field, Weyl fermions, and the linearized Weyl tensor -- on conformally flat space-times. In some non-conformally flat space-times there may exist conserved charges on very special null hypersurfaces. Using the conformal GHP formalism I prove the existence of conserved Aretakis charges on extremal Killing horizons. In the absence of exact conservation laws it is still useful to extend the definition for NP constants to some asymptotically flat curved space-times, where the conservation laws become approximate conservation laws which rapidly approach exact conservation laws at null infinity. I derive explicit expressions for spherically symmetric space-times. | ゲロッホ-ヘルド-ペンローズ（GHP）形式の共形拡張を用いて、ミンコフスキー空間における光円錐上の波動方程式の解に関連する保存量の集合であるニューマン-ペンローズ（NP）定数の共形かつ共形な表現を導出する。 得られた表現は、共形平坦時空上の任意のスピンを持つ質量ゼロの場（電磁場、ワイルフェルミオン、線形化ワイルテンソルを含む）に一般化される。 共形平坦でない時空の中には、非常に特殊なヌル超曲面上に保存電荷が存在するものがある。 共形GHP形式を用いて、極限キリング地平線上に保存されるアレタキス電荷の存在を証明する。 正確な保存則が存在しない場合でも、NP定数の定義を漸近的に平坦な曲がった時空に拡張することは有用である。 そこでは保存則は近似的な保存則となり、零無限大において正確な保存則に急速に近づく。 球対称時空に対する明示的な表現を導出する。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| We investigate the impact of inhomogeneous inflaton perturbations on primordial magnetic fields within the framework of generalized inflationary magnetogenesis models. Extending the Ratra model to general spacetime backgrounds, we analyze the constraint structure of the electromagnetic field and demonstrate that the standard Coulomb gauge must be generalized to accommodate spatial inhomogeneities. Instead of the vector potential, we solve the conjugate momentum with the modified initial conditions introduced by the coupling function, which become dominant during the late stages of inflation. These change the conditions under which scale-invariant electromagnetic spectra are achieved. Furthermore, we address the challenge of evaluating convolutions between vector potentials and inflaton perturbations by employing separate large- and small-scale approximations. The resulting influence to the electric and magnetic power spectra are quantified using $\Delta_E$ and $\Delta_B$, revealing a scale-dependent influence of inhomogeneities. We also find that the spectrum index evolution is sensitive to the sign of $V_{\phi}$, with distinctive behaviors for electric and magnetic fields under different scale-invariance conditions. Notably, for nearly scale-invariant magnetic fields, the perturbative effects shift the spectral index towards the red and migrate toward smaller scales as inflation progresses, offering a potential observational probe to differentiate between large-field and small-field inflation scenarios. | 一般化されたインフレーション磁気生成モデルの枠組みにおいて、不均一なインフレーション摂動が原始磁場に与える影響を調べる。 ラトラ模型を一般時空背景に拡張し、電磁場の制約構造を解析し、標準クーロンゲージを空間的不均一性に対応するために一般化する必要があることを示す。 ベクトルポテンシャルの代わりに、結合関数によって導入された修正された初期条件を持つ共役運動量を解く。 この初期条件はインフレーション後期に支配的になる。 これにより、スケール不変な電磁スペクトルが達成される条件が変化する。 さらに、大規模近似と小規模近似を別々に用いることで、ベクトルポテンシャルとインフレーション摂動の間の畳み込みを評価するという課題に取り組む。 結果として生じる電気および磁気パワースペクトルへの影響は、$\Delta_E$ と $\Delta_B$ を用いて定量化され、スケールに依存した不均一性の影響が明らかになる。 また、スペクトル指数の変化は$V_{\phi}$の符号に敏感であり、異なるスケール不変条件下では電場と磁場に対して特徴的な挙動を示すこともわかりました。 特に、ほぼスケール不変の磁場の場合、摂動効果によってスペクトル指数は赤色にシフトし、インフレーションの進行に伴ってより小さなスケールへと移動します。 これは、大規模場インフレーションシナリオと小規模場インフレーションシナリオを区別するための観測的プローブとなる可能性があります。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| We present an explicitly gauge-invariant observable of {\em any} general gravitational perturbation, $h_{\mu\nu}$ (\textit{not} necessarily due to gravitational waves (GWs)), in a laser interferometry-based GW detector, identifying the signature as the proper time elapsed of the beamsplitter observer, between two events: when a photon passes through the beamsplitter, and when the same photon returns to the beamsplitter after traveling through the interferometer arm and reflecting off the far mirror. Our formalism applies to simple Michelson interferometers and can be generalized to more advanced setups. We demonstrate that the proper time observable for a plane GW is equivalent to the detector strain commonly used by the GW community, though now the common framework can be easily generalized for other types of signals, such as dark matter clumps or spacetime fluctuations from quantum gravity. We provide a simple recipe for computing the proper time observable for a general metric perturbation in linearized gravity and explicitly show that it is invariant under diffeomorphisms of the perturbation, as any physical observable should be. | 我々は、レーザー干渉計ベースの重力波検出器において、明示的にゲージ不変な一般重力摂動の観測量 $h_{\mu\nu}$ （必ずしも重力波（GW）によるものではない）を提示し、そのシグネチャを、ビームスプリッター観測者の固有時間、すなわち2つの事象（光子がビームスプリッターを通過するときと、同じ光子が干渉計アームを通過して遠端の鏡で反射した後にビームスプリッターに戻るとき）の間で経過した固有時間として特定する。 我々の定式化は単純なマイケルソン干渉計に適用でき、より高度な装置にも一般化できる。 平面重力波の固有時間観測量は、重力波コミュニティで一般的に用いられる検出器ひずみと等価であることを示すが、この共通の枠組みは、暗黒物質の塊や量子重力による時空変動など、他の種類の信号にも容易に一般化できる。 我々は、線形化重力における一般的な計量摂動に対する固有時間観測量を計算するための簡単なレシピを提供し、それが摂動の微分同相写像に対して不変であることを明示的に示す。 これは、あらゆる物理的観測量がそうあるべきである。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| The existence of supermassive black hole binaries (SMBHBs) is predicted by various cosmological and evolutionary scenarios for active galactic nuclei. These objects are considered as contributors into the gravitational wave (GW) background and emitters of discrete GW bursts. Yet, SMBHBs remain a rather elusive class of extragalactic objects. Previously we have identified the quasar J2102+6015 as potential SMBHB system based on its oscillating astrometric pattern. We analysed the available VLBI astrometry data and identified another case of astrometric oscillations in the source J0204+1514. We assume these oscillations as manifestations of orbital motion in a binary systems. We estimated parameters of the suspected SMBHB in this source and applied basic theoretical models for projecting its evolution toward coalescence. We also develop a toy model of SMBHB consistent with the discovered astrometric oscillations and give quantitative predictions of GW emission of such the source using the case of J0204+1514 as an example. As an ad hoc result, we also provide a re-assessed estimate of the redshift of J2102+6015, z=1.42. A toy model of the object containing SMBHB with parameters consistent with the observed astrometric oscillations of the source J0204+1514 enabled us to consider GW emission as the cause of the system's orbital evolution. Astrometric VLBI monitoring has an appreciable potential for future detections of SMBHBs as multi-messenger targets for both electromagnetic (in radio domain) and gravitational wave astronomy. To outline the contours of a future physical model connecting SMBHB with detectable GW manifestations, we apply the toy model to the source J0204+1514. We also provide justification for aiming future space-borne VLBI missions toward direct imaging of SMBHBs as a synergistic contribution into future multi-messenger studies involving prospective GW facilities. | 超大質量ブラックホール連星（SMBHB）の存在は、活動銀河核に関する様々な宇宙論的・進化的シナリオによって予測されている。 これらの天体は、重力波（GW）背景放射の寄与源であり、離散的な重力波バーストの放出源であると考えられている。 しかしながら、SMBHBは銀河系外天体の中でも依然として非常に捉えにくい種類の天体である。 我々は以前、クエーサーJ2102+6015を、その振動する天体測定パターンに基づき、潜在的なSMBHB系として特定した。 我々は利用可能なVLBI天体測定データを解析し、天体J0204+1514においても別の天体測定振動の例を特定した。 我々はこれらの振動を連星系における軌道運動の現れであると仮定する。 我々はこの天体における疑わしいSMBHBのパラメータを推定し、合体に向けた進化を予測するための基本的な理論モデルを適用した。 また、発見された天文振動と整合するSMBHBの簡易モデルを構築し、J0204+1514を例に、このような天体からの重力波放射の定量的な予測を行う。 また、アドホックな結果として、J2102+6015（z=1.42）の赤方偏移の再評価推定値も提供する。 SMBHBを含む天体の簡易モデルは、天体J0204+1514の観測された天文振動と整合しており、重力波放射をこの系の軌道進化の原因とみなすことが可能になった。 天文VLBIモニタリングは、将来、電磁波（電波領域）と重力波天文学の両方において、マルチメッセンジャーターゲットとしてのSMBHBの検出に大きな可能性を秘めている。 SMBHBと検出可能な重力波の兆候を結びつける将来の物理モデルの輪郭を描くために、我々はトイモデルを天体J0204+1514に適用する。 また、将来の宇宙VLBIミッションにおいてSMBHBの直接撮像を目指すことの正当性を示し、将来の重力波観測施設を含むマルチメッセンジャー研究への相乗的な貢献となることを示した。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| We present a hybrid machine learning framework that combines Physics-Informed Neural Operators (PINOs) with score-based generative diffusion models to simulate the full spatio-temporal evolution of two-dimensional, incompressible, resistive magnetohydrodynamic (MHD) turbulence across a broad range of Reynolds numbers ($\mathrm{Re}$). The framework leverages the equation-constrained generalization capabilities of PINOs to predict coherent, low-frequency dynamics, while a conditional diffusion model stochastically corrects high-frequency residuals, enabling accurate modeling of fully developed turbulence. Trained on a comprehensive ensemble of high-fidelity simulations with $\mathrm{Re} \in \{100, 250, 500, 750, 1000, 3000, 10000\}$, the approach achieves state-of-the-art accuracy in regimes previously inaccessible to deterministic surrogates. At $\mathrm{Re}=1000$ and $3000$, the model faithfully reconstructs the full spectral energy distributions of both velocity and magnetic fields late into the simulation, capturing non-Gaussian statistics, intermittent structures, and cross-field correlations with high fidelity. At extreme turbulence levels ($\mathrm{Re}=10000$), it remains the first surrogate capable of recovering the high-wavenumber evolution of the magnetic field, preserving large-scale morphology and enabling statistically meaningful predictions. | 本稿では、物理学情報に基づくニューラル演算子（PINO）とスコアベースの生成拡散モデルを組み合わせたハイブリッド機械学習フレームワークを提案する。 このフレームワークは、2次元非圧縮抵抗性磁気流体（MHD）乱流の時空間発展を、広範囲のレイノルズ数（$\mathrm{Re}$）にわたってシミュレートする。 このフレームワークは、PINOの方程式制約付き一般化能力を活用してコヒーレントな低周波ダイナミクスを予測する一方、条件付き拡散モデルによって高周波残差を確率的に補正することで、完全に発達した乱流の正確なモデリングを可能にする。 この手法は、$\mathrm{Re} \in \{100, 250, 500, 750, 1000, 3000, 10000\}$ を用いた高忠実度シミュレーションの包括的なアンサンブルで学習され、これまで決定論的代替モデルではアクセスできなかった領域において最先端の精度を達成しました。 $\mathrm{Re}=1000$ および $3000$ において、このモデルはシミュレーションの後半において速度場と磁場の両方の完全なスペクトルエネルギー分布を忠実に再構築し、非ガウス統計、断続構造、およびフィールド間の相関を高い忠実度で捉えます。 極度の乱流レベル（$\mathrm{Re}=10000$）において、これは、大規模な形態を保存し、統計的に意味のある予測を可能にしながら、磁場の高波数発展を回復できる最初の代替モデルであり続けています。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| The UltraViolet EXplorer (UVEX) is a wide-field ultraviolet space telescope selected as a NASA Medium-Class Explorer (MIDEX) mission for launch in 2030. UVEX will undertake deep, cadenced surveys of the entire sky to probe low mass galaxies and explore the ultraviolet (UV) time-domain sky, and it will carry the first rapidly deployable UV spectroscopic capability for a broad range of science applications. One of UVEX's prime objectives is to follow up gravitational wave (GW) binary neutron star mergers as targets of opportunity (ToOs), rapidly scanning across their localization regions to search for their kilonova (KN) counterparts. Early-time multiband ultraviolet light curves of KNe are key to explaining the interplay between jet and ejecta in binary neutron star mergers. Owing to high Galactic extinction in the ultraviolet and the variation of GW distance estimates over the sky, the sensitivity to kilonovae can vary significantly across the GW localization and even across the footprint of a single image given UVEX's large field of view. Good ToO observing strategies to trade off between area and depth are neither simple nor obvious. We present an optimal strategy for GW follow-up with UVEX in which exposure time is adjusted dynamically for each field individually to maximize the overall probability of detection. We model the scheduling problem using the expressive and powerful mathematical framework of mixed integer linear programming (MILP), and employ a state-of-the-art MILP solver to automatically generate observing plan timelines that achieve high probabilities of kilonova detection. We have implemented this strategy in an open-source astronomical scheduling software package called the Multi-Mission Multi-Messenger Observation Planning Toolkit, on GitHub at https://github.com/m4opt/m4opt. | UltraViolet EXplorer（UVEX）は、2030年に打ち上げられるNASAの中型探査機（MIDEX）ミッションに選ばれた広視野紫外線宇宙望遠鏡です。 UVEXは、低質量銀河の探査と紫外線（UV）時間領域での空域探査のため、全天の深部を定常的に観測します。 また、幅広い科学応用に利用できる、初めて迅速に展開可能な紫外線分光機能を搭載します。 UVEXの主要目的の一つは、重力波（GW）連星中性子星合体を機会目標（ToO）として追跡し、その局在領域を迅速にスキャンしてキロノバ（KN）対応星を探索することです。 KNeの初期の多波長紫外線光度曲線は、連星中性子星合体におけるジェットと放出物の相互作用を説明する鍵となります。 紫外線における銀河の大きな減光と、天空における重力波の距離推定値の変動により、キロノバに対する感度は重力波の位置によって大きく異なり、UVEXの広い視野を考えると、単一画像のフットプリント全体にわたってさえも大きく異なる可能性があります。 面積と深度の間でトレードオフを行うための適切なToO観測戦略は、単純でも自明でもありません。 本研究では、UVEXを用いた重力波追跡のための最適な戦略を提示します。 この戦略では、各視野ごとに露出時間を動的に調整することで、全体的な検出確率を最大化します。 スケジューリング問題は、表現力豊かで強力な混合整数線形計画法（MILP）という数学的枠組みを用いてモデル化し、最先端のMILPソルバーを用いて、キロノバの検出確率を高める観測計画タイムラインを自動的に生成します。 私たちはこの戦略を、オープンソースの天文スケジューリングソフトウェアパッケージ「Multi-Mission Multi-Messenger Observation Planning Toolkit」に実装しました。 このツールキットはGitHub（https://github.com/m4opt/m4opt）で公開されています。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| We reinterpret Starobinsky's stochastic inflation as an open quantum system, where short-wavelength modes act as the environment for long-wavelength modes. Using the Schwinger-Keldysh formalism, we systematically trace out the environment and derive an effective theory for the reduced density matrix, including deviations from exact de Sitter. The resulting master equation is a Lindblad equation, which reduces to a Fokker-Planck equation for the diagonal elements up to higher orders in the slow-roll expansion, while also yielding a more complete equation in phase space. Finally, we extend the formalism to global de Sitter, for which the associated Fokker-Planck equation lacks equilibrium solutions until the late-time regime $aH \gg 1$. | 我々はスタロビンスキーの確率的インフレーションを開放量子系として再解釈する。 そこでは短波長モードが長波長モードの環境として作用する。 シュウィンガー・ケルディッシュ形式を用いて、環境を系統的に追跡し、正確なド・ジッターからの偏差を含め、縮約密度行列の有効理論を導出する。 結果として得られるマスター方程式はリンドブラッド方程式であり、これはスローロール展開において高次までの対角要素に対してフォッカー・プランク方程式に帰着するとともに、位相空間においてより完全な方程式を与える。 最後に、この形式を大域ド・ジッターに拡張する。 大域ド・ジッターにおいては、関連するフォッカー・プランク方程式は後期領域 $aH \gg 1$ まで平衡解を持たない。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| We develop the effective field theory (EFT) of perturbations in the context of scalar-tensor theories with a spacelike scalar profile on arbitrary black hole backgrounds. Our construction of the EFT is based on the fact that in the unitary gauge, where the scalar field is chosen as one of the spatial coordinates, the background scalar field spontaneously breaks the diffeomorphism invariance along the direction of its gradient. The residual symmetry on a timelike hypersurface of constant scalar field is referred to as the $(2+1)$d diffeomorphism invariance. We then derive a set of consistency relations, imposed on the EFT parameters, by requiring that the EFT action in the unitary gauge be invariant under the $(2+1)$d diffeomorphisms. For concreteness, we apply the EFT to study the background dynamics of a class of non-static and spherically symmetric solutions, focusing in particular on a black hole solution with a time-varying mass. We emphasize that our EFT framework is broadly applicable to any black hole background as long as the scalar field remains spacelike throughout the spacetime region of interest. This formulation provides a model-independent approach for testing scalar-tensor theories as gravity beyond general relativity in the strong-gravity regime. | 我々は、任意のブラックホール背景における空間的スカラープロファイルを持つスカラー-テンソル理論の文脈において、摂動の有効場理論（EFT）を展開する。 我々のEFTの構成は、スカラー場が空間座標の一つとして選ばれたユニタリーゲージにおいて、背景スカラー場がその勾配の方向に沿って微分同相不変性を自発的に破るという事実に基づいている。 定数スカラー場の時間的超曲面上の残余対称性は、(2+1)次元微分同相不変性と呼ばれる。 次に、ユニタリーゲージにおけるEFT作用が(2+1)次元微分同相不変性に関して不変であることを要求することにより、EFTパラメータに課される無矛盾関係の集合を導出する。 具体性のために、我々はEFTを、非静的かつ球対称な解のクラスの背景ダイナミクスの研究に適用し、特に時間変動質量を持つブラックホール解に焦点を当てる。 我々のEFTフレームワークは、スカラー場が関心のある時空領域全体にわたって空間的である限り、あらゆるブラックホール背景に広く適用可能であることを強調する。 この定式化は、強重力領域において一般相対論を超える重力としてスカラーテンソル理論を検証するための、モデルに依存しないアプローチを提供する。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| Several observational phenomena suggest that the standard model of cosmology and particle physics requires revision. To address this, we consider the extension of general relativity known as massive gravity (MG). In this Letter, we explore the imprints of MG on the propagation of gravitational waves (GWs): their modified dispersion relation and their additional (two vector and one scalar) polarization modes on the stochastic GW background (SGWB) detected by pulsar timing arrays (PTAs). We analyze the effects of massive GWs on the Hellings-Downs curve induced by modification of the overlap reduction function. Our study consists of analyzing observational data from the NANOGrav 15-year dataset and the Chinese PTA Data Release I, and is independent of the origin of the SGWB (astrophysical or cosmological). By considering the bound on the graviton mass imposed through the dispersion relation, we scrutinize the possibility of detecting traces of MG in the PTA observational data. We find that massive GWs predict better fits for the observed pulsar correlations. Future PTA missions with more precise data will hopefully be able to detect the GW additional polarization modes and might be effectively used to constrain the graviton mass. | いくつかの観測現象は、宇宙論と素粒子物理学の標準モデルの修正が必要であることを示唆している。 これに対処するため、我々は一般相対論の拡張である大質量重力（MG）を考察する。 本論文では、重力波（GW）の伝播に対するMGの影響、すなわち、修正された分散関係と、パルサータイミングアレイ（PTA）によって検出された確率的重力背景（SGWB）におけるMGの追加的な（2つのベクトルと1つのスカラー）偏光モードについて考察する。 重なり削減関数の修正によって生じるヘリングス・ダウンズ曲線に対する大質量重力の影響を解析する。 本研究は、NANOGrav 15年データセットとChinese PTA Data Release Iの観測データの解析から構成されており、SGWBの起源（天体物理学的または宇宙論的）とは無関係である。 分散関係によって課される重力子質量の上限を考慮することで、PTA観測データ中に重力波の痕跡を検出する可能性を精査する。 その結果、質量の大きい重力波は、観測されたパルサー相関とのより良い適合を予測することがわかった。 より高精度なデータを持つ将来のPTAミッションは、重力波の追加の偏光モードを検出できると期待され、重力子質量を制限するために効果的に利用される可能性がある。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| Probing primordial curvature perturbations on small scales, beyond those accessible using cosmic microwave background (CMB) primary anisotropies and Lyman-$\alpha$ forest data, remains a major open challenge. Current constraints on the scalar power spectrum at these scales are either weak or rely heavily on model-dependent assumptions about small-scale structure. In this work, we propose a novel method to probe the small-scale primordial power spectrum using scalar-induced tensor perturbations, which are inevitably sourced by curvature perturbations at second order in cosmological perturbation theory. While induced tensor modes have traditionally been studied in the context of the stochastic gravitational wave background, we highlight a complementary observable: the distinctive pattern of B-mode polarization they imprint on the CMB. We compute the angular spectrum of these B-modes arising from enhanced scalar perturbations and show that the resulting signal can be competitive with inflationary predictions for values of the tensor-to-scalar ratio targeted in upcoming CMB experiments, most notably CMB-Stage 4. We map the region of the scalar power spectrum to which these future B-mode experiments will be sensitive and compare with existing constraints, finding it to exceed current sensitivities at $k \sim O(1-10)\, \mathrm{Mpc}^{-1}$. In addition to providing a new CMB-based probe of the small-scale power spectrum, this work also motivates dedicated B-mode searches at higher multipoles ($\ell \gtrsim 100$). | 宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の一次異方性やライマン-αフォレストのデータを用いてアクセス可能なスケールを超える、小規模スケールにおける原始曲率摂動の探査は、依然として大きな未解決課題である。 これらのスケールにおけるスカラーパワースペクトルに対する現在の制限は、弱いか、小規模構造に関するモデル依存の仮定に大きく依存している。 本研究では、宇宙摂動論において2次の曲率摂動によって必然的に生じるスカラー誘起テンソル摂動を用いて、小規模スケールの原始曲率スペクトルを探査する新たな手法を提案する。 誘起テンソルモードは従来、確率的重力波背景の文脈で研究されてきたが、本研究では、相補的な観測量、すなわち、それらがCMBに刻み込むBモード偏光の特徴的なパターンに注目する。 我々は、増強されたスカラー摂動から生じるこれらのBモードの角度スペクトルを計算し、得られた信号が、今後のCMB実験、特にCMBステージ4で目標とされるテンソル対スカラー比の値に関するインフレーション理論の予測と競合できることを示す。 我々は、これらの将来のBモード実験が感度を持つスカラーパワースペクトルの領域をマッピングし、既存の制約と比較した結果、$k \sim O(1-10)\, \mathrm{Mpc}^{-1}$ において現在の感度を超えることを明らかにした。 本研究は、小規模パワースペクトルの新しいCMBベースのプローブを提供することに加えて、高多極子（$\ell \gtrsim 100$）における専用のBモード探索をも促すものである。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| In this work, we study the dynamics of an extreme mass-ratio inspiral (EMRI) embedded within a scalar cloud populated around the massive black hole. This cloud may be generated through the black hole superradiant process if the wavelength of the scalar particle is comparable to the size of the massive black hole. The EMRI motion perturbs the cloud, producing scalar radiation towards infinity and into the black hole horizon. In addition, the backreaction of the scalar radiation onto the orbit modifies the motion of the EMRI and induces an observable gravitational-wave phase shift for a range of system parameters. We quantify the scalar flux and the induced phase shift, as one of the examples of exactly-solvable, environmental effects of EMRIs. | 本研究では、巨大ブラックホールの周囲に広がるスカラー雲に埋め込まれた極限質量比インスパイラル（EMRI）のダイナミクスを研究する。 この雲は、スカラー粒子の波長が巨大ブラックホールの大きさに匹敵する場合、ブラックホールの超放射過程によって生成される可能性がある。 EMRIの運動は雲を摂動させ、無限遠方向およびブラックホールの地平線に向けてスカラー放射を生成する。 さらに、スカラー放射の軌道への反作用はEMRIの運動を変化させ、様々なシステムパラメータに対して観測可能な重力波位相シフトを引き起こす。 我々は、EMRIの厳密に解ける環境効果の例として、スカラーフラックスと誘起される位相シフトを定量化する。 |
| Original Text | 日本語訳 |
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| We put forward the first analysis of renormalization group flows in an area-metric theory, motivated by spin-foam quantum gravity. Area-metric gravity contains the well-known length-metric degrees of freedom of standard gravity as well as additional shape-mismatching degrees of freedom. To be phenomenologically viable, the shape-mismatching degrees of freedom have to decouple under the renormalization group flow towards lower scales. We test this scenario by calculating the renormalization group flow of the masses and find that these are in general even more relevant than dictated by their canonical scaling dimension. This generically results in masses which are large compared to the Planck mass and thereby ensure the decoupling of shape-mismatching degrees of freedom. In addition, the latter come in a left-handed and right-handed sector. We find that parity symmetry does not emerge under the renormalization group flow. Finally, we extract the renormalization group flow of the Immirzi parameter from this setup and find that its beta function features zeros at vanishing as well as at infinite Immirzi parameter. | 我々は、スピンフォーム量子重力理論に着想を得て、面積計量理論におけるくりこみ群フローの初めての解析を提示する。 面積計量重力理論は、標準的な重力理論でよく知られている長さ計量自由度に加え、形状不整合自由度も含んでいる。 現象論的に成立するためには、形状不整合自由度はくりこみ群フローの下でより低いスケールへと分離する必要がある。 我々はこのシナリオを、質量のくりこみ群フローを計算することで検証し、これらの自由度が一般に、その標準的なスケーリング次元によって規定されるよりもさらに重要であることを明らかにした。 これは一般に、プランク質量と比較して大きな質量をもたらし、それによって形状不整合自由度の分離を保証する。 さらに、後者は左手系と右手系のセクターに現れる。 くりこみ群フローの下ではパリティ対称性は現れないことがわかった。 最後に、この設定からイミルジパラメータの繰り込み群フローを抽出し、そのベータ関数がイミルジパラメータがゼロのときと無限大のときの両方でゼロになることを発見しました。 |