[論文レビュー] An Overview of Gravitational-Wave Sources

Curt Cutler, Kip S. Thorne|ArXiv.org|Apr 30, 2002

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、地上型（例：LIGO）および宇宙型（例：LISA）の干渉計で検出可能な重力波源について包括的なレビューを提供し、それらの期待される強度、検出レート、波形に含まれる天体物理学的情報の評価を行っている。第二世代LIGO検出器では、イベントレートが最大3,000倍に増加すると示唆されており、LISAは質量中心ブラックホール合体を検出すると予想され、相転移や宇宙ひもといった初期宇宙現象を調査できる。

ABSTRACT

We review current best estimates of the strength and detectability of the gravitational waves from a variety of sources, for both ground-based and space-based detectors, and we describe the information carried by the waves.

研究の動機と目的

• 現在および計画中の検出器を用いて、高周波および低周波帯域における重力波源の検出可能性を評価すること。
• 連星の合体、超新星、中性子星、初期宇宙現象のための源レートおよび信号強度を推定すること。
• 波形から抽出可能なブラックホールおよび中性子星の性質を含む、天体物理学的情報を評価すること。
• 周波数帯域に応じた検出器感度を比較し、異なる源タイプに最適な検出戦略を特定すること。

提案手法

• 最初期および第二世代LIGO干渉計（LIGO-I, WB LIGO-II, NB LIGO-II）の基準ノイズ曲線を用いて、検出のしきい値および感度を評価する。
• 連星合体、超新星、回転する中性子星の理論的波形および放射モデルを適用し、信号振幅を推定する。
• 銀河系および銀河系外の二重白色矮星系と初期宇宙源からの確率的重力波背景を評価する。
• LISAの低周波源、特に質量中心ブラックホール合体および初期宇宙の相転移への感度を分析する。
• 非常に低周波帯域ではパulsarタイミングなどの代替検出法と、極めて低周波帯域ではCMB偏光を用いた手法を検討する。
• 特に遠方銀河系源に対して、検出器帯域幅およびノイズ低減の影響が検出率に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第二世代LIGO検出器では、遠方銀河系の連星合体の検出レートはどの程度と予想されるか？
• RQ2 地上型および宇宙型検出器の感度は、重力波の周波数帯域に応じてどのように比較されるか？
• RQ3 合体するブラックホールおよび中性子星の波形から、どのような天体物理学的情報を抽出できるか？
• RQ4 LISAは、宇宙インフレーションや初期宇宙の相転移に起因する原始的重力波を検出できるか？
• RQ5 LISAの感度に基づいて、宇宙ひもの張力やその他の奇妙な初期宇宙源に対する限界は何か？

主な発見

• 広帯域動作を特徴とする第二世代LIGO干渉計では、第一世代検出器と比較して、遠方銀河系の連星合体の検出率が約3,000倍に増加すると予想される。
• LISAは質量中心ブラックホール合体および巨大ブラックホールへの連星の降下を検出すると予想され、短周期の銀河系内連星は保証された検出が可能である。
• LISAの二重白色矮星系からの確率的重力波背景への感度は、低周波帯域でΩ(f) ~ 10⁻¹⁰に限定され、これは標準的インフレーションに起因する原始的信号を覆す可能性がある。
• 第一階級の電弱相転移が強い場合、LISAは10⁻⁴.⁵～10⁻³.⁵ Hz帯で検出可能な振幅の重力波を検出できる。
• 張力μ < 10⁻¹³の宇宙ひもは、くびれやかぎれからのパルスを介してLISAで制限可能であり、素因数物理学の探査が可能となる。
• 短LISA構成（アーム長さが100分の1に短縮）と9～12機の衛星からなるコンstellationを備えた後続ミッションでは、インフレーションに起因する重力波背景（Ω ~ 10⁻¹⁶～10⁻¹⁵）への感度を達成でき、インフレーションモデルの直接的検証が可能となる。