[論文レビュー] A Galactic centre gravitational-wave Messenger

M. A. Abramowicz, M. Bejger+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 1

ひとこと要約

論文は、Sgr A* の逆方向の内側安定円形軌道（ISCO）に位置する木星質量の探査機が、軌道の崩壊に伴い連続的で検出可能な重力波信号を発する可能性を提案している。その周波数は 0.63–1.07 mHz、出力は 2.7×10³⁶–2.0×10³⁷ erg/s である。このような信号が LISA によって検出された場合、周波数の正確さと銀河中心からの起源ゆえに、明確に人工的であると特定できる。これは重力波を用いた新しい SETI戦略を提供する。

ABSTRACT

Our existence in the Universe resulted from a rare combination of circumstances. The same must hold for any highly developed extraterrestrial civilisation, and if they have ever existed in the Milky Way, they would likely be scattered over large distances in space and time. However, all technologically advanced species must be aware of the unique property of the galactic centre: it hosts Sagittarius A* (Sgr A*), the closest supermassive black hole to anyone in the Galaxy. A civilisation with sufficient technical know-how may have placed material in orbit around Sgr A* for research, energy extraction, and communication purposes. In either case, its orbital motion will necessarily be a source of gravitational waves. We show that a Jupiter-mass probe on the retrograde innermost stable circular orbit around Sgr A* emits, depending on the black hole spin, at a frequency of $f_{GW} = 0.63 - 1.07$ mHz and with a power of $P_{GW}=2.7 imes\, 10^{36} - 2.0 imes\, 10^{37}$ erg/s. We discuss that the energy output of a single star is sufficient to stabilise the location of an orbiting probe for a billion years against gravitational wave induced orbital decay. Placing and sustaining a device near Sgr A* is therefore astrophysically possible. Such a probe will emit an unambiguously artificial continuous gravitational wave signal that is observable with LISA-type detectors.

研究の動機と目的

• 技術的に高度な文明が、銀河全体にわたる存在を示すために、Sgr A* の周囲に安定的かつ長期間にわたって持続可能な重力波放射源を配置できるかを検討すること。
• そのような探査機が、数十億年間にわたって恒星のエネルギー出力によって維持可能かどうかを評価すること。
• 周波数、方向、安定性といった事前に分かっている物理的性質を持つ信号を特定し、それが明確に人工的起源であることを示すこと。
• 従来の電波ベースの SETI とは補完的で、非常に的を射た戦略として、重力波検出を提案すること。

提案手法

• 一般相対性理論のエネルギーおよび角運動量損失の式を用いて、Sgr A* の周囲を逆行軌道で回る木星質量の物体の軌道崩壊をモデル化する。
• 四極子公式とブラックホールスピンに依存する ISCO 半径を用いて、重力波の周波数と労力を計算する。
• 重力波による放射出力から得られるエネルギー供給量を、10億年間にわたる軌道安定性を維持するための必要エネルギーとして推定する。
• E = mc² とエネルギー収支に基づき、1個の 0.1–1 M⊙ の恒星からのエネルギー供給が、その探査機の維持に十分かどうかを評価する。
• SageMath ノートブックを用いて軌道進化と重力波周波数の進化を計算し、コードを公開する。
• LISA 型の宇宙ベースの重力波検出器によるこのような信号の検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sgr A* の逆行 ISCO に位置する木星質量の物体が、LISA で検出可能な連続的重力波信号を発することができるか？
• RQ2 10億年間にわたって、重力波による軌道崩壊から探査機を安定化させるために必要なエネルギー入力はどの程度か？
• RQ3 このような探査機からの重力波信号は、人工的起源を明確に示す一意的な周波数と時間的変化を示すだろうか？
• RQ4 1個の恒星からのエネルギー供給が、宇宙的スケールの時間的スケールで探査機の軌道を維持するのに十分か？
• RQ5 銀河中心のブラックホール Sgr A* は、恒星間通信のためのシュェリングポイントとなり得るだろうか？それゆえに、人工信号の自然な焦点となるだろうか？

主な発見

• Sgr A* の逆行 ISCO に位置する木星質量の探査機は、ブラックホールスピンに応じて 0.63–1.07 mHz の周波数で重力波を放出する。
• 重力波の労力は 2.7×10³⁶–2.0×10³⁷ erg/s であり、ブラックホールスピンが大きいほど出力が高くなる。
• 10億年間にわたる探査機の安定化に必要なエネルギーは、a = 0.0 の場合 2.0×10⁵⁴ erg から、a = +0.9 の場合 7.8×10⁵⁵ erg まで varying するが、いずれも1個の恒星のエネルギー出力範囲内に収まる。
• ISCO において周波数の時間微分が発散（df₀/dt = +∞）するため、これは人工的起源を明確に示す一意的なシグネチャとなる。
• 信号は数か月から数年にわたって安定しており、周波数と方向が正確に分かっているため、天体的ノイズとは明確に区別できる。
• LISA がこのような信号を検出すれば、ミルキーウェイに高度な地球外文明が存在することを決定的証明するものとなる。