[論文レビュー] Astro2020 Decadal Science White Paper: The state of gravitational-wave astrophysics in 2020

Sean T. McWilliams, Robert R. Caldwell+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 23被引用数 6

ひとこと要約

2020年現在の重力波天文学の変革的状態を概説する白書であり、地上（LIGO/Virgo）、宇宙空間（LISA）、低周波数（パルサー計時アレイ、CMB）の観測所を網羅するマルチバンド手法の推進を提唱している。LISAは一般相対性理論の未曾有の検証を可能にし、合体、極端質量比降下、確率的背景を通じて、質量ブラックホールの力学的挙動、中性子星の状態方程式、初期宇宙の物理学を解明する。

ABSTRACT

While still in its infancy, the budding field of gravitational-wave astronomy has so far exceeded most expectations, and the achievements that have already been made bode well for the decade to come. While the discoveries made possible by LIGO have captured the imagination of experts and nonexperts alike, it is important when looking ahead to consider those discoveries in the context of the field as a whole. Just as radio, optical, and x-ray radiation probe different physical phenomena occurring on a range of length and energy scales, the future of gravitational-wave astrophysics depends on our ability to open up the entire spectrum. We will describe the scientific prospects for the field of gravitational-wave astronomy as a whole as we enter the coming decade, and we will place the specific contributions from a future space-based gravitational-wave observatory within this context.

研究の動機と目的

• 複数の観測バンドにわたる重力波天文学の現在の状態と将来の科学的潜在能力を評価すること。
• 宇宙空間に設置される重力波観測所（LISA）が、重力波スペクトルを完全に網羅するために不可欠であるという重要性を主張すること。
• マルチメッセンジャーおよびマルチバンド観測が、宇宙論、コンパクト物体の形成、一般相対性理論の核心的問題を解消する手がかりを提供することを強調すること。
• LISAが強力場重力、極端質量比降下、初期宇宙を解明する上で不可欠である位置づけであることを位置づけること。

提案手法

• LIGO、Virgoの地上観測所のデータを分析し、そのアップグレード計画（A+、Voyager、Cosmic Explorer、Einstein Telescope）による感度向上と源の検出範囲の評価を行う。
• LISAのような宇宙空間干渉計の科学的潜在能力を評価し、質量ブラックホール二重星系、極端質量比降下（EMRI）、銀河系内二重星系の集団への感度に焦点を当てる。
• パルサー計時アレイ（PTA）と宇宙マイクロ波背景（CMB）偏光実験による低周波数重力波検出を評価し、初期宇宙の重力波を調べる。
• 地上観測所と宇宙空間観測所の相補性をモデル化し、特に合体イベントの天球位置特定と時刻測定の観点から分析する。
• 一般相対性理論および代替重力理論の理論的枠組みを用いて、EMRIおよび強力場二重星系からの予想される信号を解釈する。
• さまざまな源（例：中性子星二重星、超大質量ブラックホール合体）について、異なる観測所における検出頻度と信号対雑音比を定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 次世代の地上観測所（例：A+）は、中性子星およびブラックホール二重星系の検出範囲と位置特定精度をどのように向上させるか？
• RQ2 LISAが質量ブラックホール二重星系を観測することで得られる、特に強力場領域における特異な天体物理学的・基礎的物理的知見は何か？
• RQ3 LISAが合体の早期予報を提供することで、電磁気的観測所によるマルチメッセンジャー追従観測がどのように向上するか？
• RQ4 LISAが観測する極端質量比降下（EMRI）を用いて、一般相対性理論からのずれをどの程度制限できるか？
• RQ5 LISAはインフレーション由来の原始的確率的重力波背景を検出可能か？その場合、初期宇宙の宇宙論にどのような意味を持つのか？

主な発見

• Advanced LIGOとVirgoは2024年までに設計感度に到達すると予想され、中性子星二重星系の検出範囲が約1 Gpcまで拡大し、星質量ブラックホール二重星系の検出範囲は赤方偏移1を超えるようになる。
• 量子ノイズ限界に到達するアップグレードにより、星質量および中間質量ブラックホール二重星系の観測可能な赤方偏移はz ≈ 6まで拡大され、天球位置特定精度が著しく向上する。
• 2017年に検出されたGW170817は、電磁的対応物が全波長域にわたり観測されたが、これは中性子星合体が短時間ガンマ線バーストを生成し、宇宙における重元素の主な供給源であることを確認した。
• GW170817のマルチメッセンジャー観測により、ハッブル定数の新たな独立的測定が可能となり、Planckと超新星ベースの推定値の間にある現在の矛盾を解消する道筋が示された。
• LISAは数百もの質量ブラックホール二重星系合体を検出すると予想され、その多くは地上観測所の信号よりもはるかに強く、強力場領域における一般相対性理論の精密な検証が可能になる。
• LISAは極端質量比降下（EMRI）を観測し、星質量ブラックホールが超大質量ブラックホールに降下する過程を観測することで、時空幾何学および一般相対性理論からのずれの可能性を独自に探査できる。