[論文レビュー] A Geostationary Gravitational Wave Interferometer (GEOGRAWI)

Massimo Tinto, J. C. N. de Araújo+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2011

Soil Moisture and Remote Sensing参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、地球静止軌道に3基の宇宙船を配置し、一辺73,000 kmの正三角形を形成する地球静止軌道重力波干渉計GEOGRAWIを提案する。LISAに比べて大幅なコスト削減と機器の簡素化を実現する。20 mHz–10 Hz帯においてLISAよりも優れた感度を達成し、質量の大きなブラックホール二重星系、星質量の二重星系、および宇宙ひもを検出可能であり、SNR=10の条件下で年間最大19個のブラックホール二重星系を検出可能である。

ABSTRACT

We propose a Geostationary Gravitational Wave Interferometer (GEOGRAWI) mission concept for making observations in the sub-Hertz band. GEOGRAWI is expected to meet some of LISA's science goals in the lower part of its accessible frequency band ($10^{-4} - 2 imes 10^{-2}$ Hz), and to outperform them by a large margin in the higher-part of it ($2 imes 10^{-2} - 10$ Hz). As a consequence of its Earth-bound orbit, GEOGRAWI is significantly less expensive than the interplanetary LISA mission and could be either an entirely US mission or managed and operated by NASA in partnership with the Brazilian Space Agency.

研究の動機と目的

• サブヘルツ帯における重力波の検出を目的とした、LISAミッションの低コスト代替案を開発すること。
• 深宇宙のLISAの軌道に代えて地球静止軌道を活用することで、ミッション設計の簡素化を図ること。
• 星質量の二重星系や質量の大きなブラックホール合体といった高周波数重力波源の検出を可能にし、LISAに比べて感度を向上させること。
• ブラジル航空宇宙庁と提携することで、ナサのミッションコストをさらに削減すること。
• 地球静止軌道配置が、LISAと同等の科学的成果を高周波数帯域で達成可能であり、システムの複雑さと打ち上げコストを低減できることを示すこと。

提案手法

• 地球静止軌道に3基の宇宙船を配置し、一辺73,000 kmの正三角形を形成する干渉計を提案する。
• レーザー位相ノイズをキャンセルするため、遅延時間干渉計（TDI）を用い、感度解析にはX結合を用いる。
• 3種類の搭載機器構成を分析：「地球静止LISA」（LISAと同一）、「地球静止1」（加速度計ノイズが10倍悪化）、「地球静止2」（レーザー出力が10分の1で、望遠鏡も小型化）。
• LISAのノイズスペクトルと感度曲線を短い基線にスケーリングし、光子数ノイズの低減と高周波数応答の向上を反映する。
• LISA 2009年のコスト内訳に基づくコストモデリングを実施し、小型発射体、必要な推進力の低減、簡素化された機器系を反映させる。
• Fillouxらに基づく信号対雑音比（SNR）計算とイベント発生率モデリングにより、赤方偏移z=10までに検出可能なブラックホール二重星系の数を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地球静止干渉計は、20 mHz–10 Hz帯においてLISAと同等またはそれ以上の感度を達成できるか？
• RQ2 LISAの深宇宙軌道を地球静止軌道に置き換える場合のコストと技術的トレードオフは何か？
• RQ3 GEOGRAWIの短い基線は、LISAに比べてサブヘルツ帯全域における感度にどのように影響するか？
• RQ4 レーザー変調の不要、固定光学系などによる機器の簡素化は、ミッションの複雑さとコストをどの程度低減できるか？
• RQ5 SNR ≥ 10の条件下で、GEOGRAWIは年間何個のブラックホール二重星系を検出可能か？最大どの赤方偏移まで検出可能か？

主な発見

• GEOGRAWIは、基線長に反比例する光子数ノイズの低減により、20 mHz以上でLISAよりも顕著に優れた感度を達成する。
• 「地球静止LISA」構成では、高周波数感度の向上により、SNR ≥ 10の条件下で年間最大19個のブラックホール二重星系を検出可能であり、LISAを上回る性能を示す。
• ミッションコストは米国単独での実施で11億ドル、ブラジル航空宇宙庁との提携により9億4000万ドルにまで低減される。
• レーザー距離測定の変調不要、固定光学系、推進力の低減といった機器の簡素化により、顕著なコストと複雑さの削減が実現される。
• 混乱ノイズが存在するが、銀河系白色矮星二重星系の高次周期スペクトルを検出可能であり、源集団の分布の推定が可能になる。
• 質量の大きなブラックホール合体、超大質量ブラックホール合体、星質量の二重星系、宇宙ひも、および10⁻⁴–10 Hz帯の確率的重力波背景を観測可能である。