[論文レビュー] Astro2020 Decadal Science White Paper: Gravitational Wave Survey of Galactic Ultra Compact Binaries

T. B. Littenberg, Katelyn Breivik+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 6被引用数 4

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、レーザー干渉計宇宙アンテナ（LISA）が、重力波を介して、はるかに多数の銀河系超コンパクト二重星（UCBs）を検出すると提案している。これにより、ガイヤーやLSSTなどの電磁気的（EM）調査と照合することで、マルチメッセンジャースタディが可能になる。GWとEMの共同観測により、質量、半径、軌道力学、潮汐効果の測定が極めて高精度に行われ、単独では得られない白星の物理学および二重星進化に関する制約が著しく強化される。

ABSTRACT

Ultra-compact binaries (UCBs) are systems containing compact or degenerate stars with orbital periods less than one hour. Tens of millions of UCBs are predicted to exist within theGalaxy emitting gravitational waves (GWs) at mHz frequencies. Combining GW searches with electromagnetic (EM) surveys like Gaia and LSST will yield a comprehensive, multimessenger catalog of UCBs in the galaxy. Joint EM and GW observations enable measurements of masses, radii, and orbital dynamics far beyond what can be achieved by independent EM or GW studies. GW+EM surveys of UCBs in the galaxy will yield a trove of unique insights into the nature of white dwarfs, the formation of compact objects, dynamical interactions in binaries, and energetic, accretion-driven phenomena like Type Ia superonovae.

研究の動機と目的

• LISAによる銀河系超コンパクト二重星（UCBs）の重力波調査を、Astro2020十年調査の柱とすることを提唱すること。
• LISAが銀河系内で約10^4個のUCBsを解像可能とすることを示すこと。
• GWとEMの共同観測が、質量、半径、軌道進化などのUCBパラメータを、単独の手法よりもはるかに高い精度で測定可能となること。
• UCBsが、相対論的物理学、降着ダイナミクス、およびコンパクト二重星における潮汐散逸のテストに役立つマルチメッセンジャーラボラトリーとしての役割を強調すること。
• 近い将来のEM調査（ガイヤー、LSST）が、数100〜数1000個のEMで特定されたUCBsを発見し、LISAの重力波源と照合可能となること。

提案手法

• 既存のモデル（例：Nelemans et al., 2001; Lamberts et al., 2018）を用いて、mHz帯の源として検出可能な銀河系UCBの集団をシミュレートし、その数を推定する。
• LISAの感度曲線と積分時間を利用して、4年間のミッション期間中にUCBの信号対雑音比（SNR）と検出可能性を推定する。
• 検出器の運動に起因する重力波信号の変調を用いて、源の位置および方位を特定する。
• GWによる軌道周期、周波数変化率（ḟ）および2階微分（ḟ̇）の測定値とEMデータを組み合わせ、二重星パラメータを制約する。
• LSSTやZTFなどのEM変動調査と照合することで、LISAのGW源位置と軌道周期を照合し、光度変動（例：食、ドップラー効果）によって類縁源を同定する。
• ガイヤーなどのEM天体測量によって parallax（距離）と距離を測定し、分光法によって質量比を特定することで、GWによる質量推定値を補完する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軌道周期が1時間未塔の超コンパクト二重星（UCBs）は、LISAが検出可能なmHz帯の重力波を何個程度発するか？
• RQ2 GWとEMの共同観測が、単独の手法よりもUCBの質量、半径、軌道パラメータの測定精度をどの程度向上させるか？
• RQ3 LISAが検出したUCBsの何パーセントが、1平方度以内に局在化可能か？また、ミッション期間中にその精度はどのように向上するか？
• RQ4 J0651+28のような系における、周波数変化率（ḟ）の測定を重力波と電磁気観測を組み合わせることで、潮汐散逸効果をどの程度テストできるか？
• RQ5 LISAが最初に検出し、その後EM調査で同定されるUCBsの予想数はどの程度か？また、時間の経過とともにその数はどのように増加するか？

主な発見

• LISAは、ミッション期間中に約10^4個の超コンパクト二重星（UCBs）を銀河系で解像可能とし、最初の1年間だけで約10^4個の検出が予想される。
• LISAが検出したUCBsの約1%が、最初の数か月以内に1平方度以内に局在化可能であり、4年間の観測後には約20%に増加する。
• 数千万個のUCBsが銀河系に存在すると予測され、その大部分は白色矮星二重星で構成されており、ブラックホールや中性子星を含む少数でも検出可能な存在である。
• GWとEMの共同観測により、EM単独よりも高い精度で質量測定が可能となり、特にJ0651+28のような系で、潮汐加熱による周波数変化率（ḟ）の約5%増加を含む、潮汐散逸効果の改善されたテストが可能になる。
• ガイヤーやLSSTなどのEM調査は、数100個（ガイヤー）から最大1000個（LSST）の個別に解像可能なUCBsを発見すると予想され、重力波で検出可能となる。
• GWとEMデータの組み合わせにより、相対論的効果、物質移動の物理学、および白色矮星の内部構造に対する頑健な制約が可能となり、特にḟとḟ̇が測定可能な系において顕著である。