[論文レビュー] Astro2020 Science White Paper: Cosmology with a Space-Based Gravitational Wave Observatory

Robert R. Caldwell, Mustafa A. Amin+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2019

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 6

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、LISA などの宇宙ベースの重力波観測所が、赤方偏移 z ≈ 10 からダークエネルギーの発現に至るまでの宇宙膨張をマッピングする標準サインとして、質量の大きなブラックホール二重星合体を用いた宇宙論的測定を可能にすると提言している。さらに、mHz 帯の検出が、原始的確率的重力波背景を発見する最良の機会を提供し、電弱相転移および非常に初期の宇宙の物理学を明らかにする可能性を示している。

ABSTRACT

There are two big questions cosmologists would like to answer -- How does the Universe work, and what are its origin and destiny? A long wavelength gravitational wave detector -- with million km interferometer arms, achievable only from space -- gives a unique opportunity to address both of these questions. A sensitive, mHz frequency observatory could use the inspiral and merger of massive black hole binaries as standard sirens, extending our ability to characterize the expansion history of the Universe from the onset of dark energy-domination out to a redshift z ~ 10. A low-frequency detector, furthermore, offers the best chance for discovery of exotic gravitational wave sources, including a primordial stochastic background, that could reveal clues to the origin of our Universe.

研究の動機と目的

• mHz 帯の感度を持つ宇宙ベースの重力波観測所を提唱し、根本的な宇宙論的問題を解決すること。
• 質量の大きなブラックホール二重星合体が、赤方偏移 z ≈ 1–10 の範囲で宇宙膨張歴史を測定する標準サインとして機能できることを示すこと。
• 一次的相転移による確率的重力波背景の検出可能性を調査すること。
• 低周波数重力波観測が、標準模型を超えた新しい物理学および初期宇宙における物理学に特有の宇宙論的感度を持つことを確立すること。

提案手法

• 質量の大きなブラックホール二重星のインスピレーション波形を用い、$ D \approx c / (\omega^2 \tau h) $ の関係式により、光度距離を直接測定する。ここで $ \omega $, $ \tau $, $ h $ はそれぞれ軌道周波数、チープ時間、歪みである。
• 重力波距離測定と電磁的対応物または宿主銀河調査からの赤方偏移情報の組み合わせにより、重力的ハッブル図を構築する。
• 素粒子物理学および一般相対性理論の理論的枠組みを用いて、宇宙論的相転移に起因する確率的重力波背景（バブル衝突、音波、乱流を含む）をモデル化する。
• 特に質量 $ 10^{20}–10^{22} $ g の準星質量原始ブラックホールから生じる、原始ブラックホール二重星およびそれに関連する重力波背景の検出可能性を評価する。mHz 帯にピークを持つ。
• 宇宙ひもからの重力波シグナルを調査し、ループ振動に起因する高調波線放出およびくすのイベントによる普遍的バースト波形を含む。
• LISA の予想される感度曲線を PTA、CMB、および将来的な CMB 実験のものと比較し、相転移および新しい物理学の発見可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤方偏移 z ≈ 1–10 の質量の大きなブラックホール二重星合体が、ダークエネルギー支配の時代をカバーする宇宙膨張歴史を測定する標準サインとして機能できるか？
• RQ2 TeV スケールでの強力な一次的電弱相転移に起因する確率的重力波背景の検出閾値は何か？
• RQ3 mHz 帯の宇宙ベース重力波観測所が、スピン、離心率、質量スペクトルの測定により、原始ブラックホール二重星と天体的ブラックホール二重星を区別できるか？
• RQ4 初期宇宙に由来する原始的重力波背景が mHz 帯に与えるシグナルは何か？また、それらは天体的背景からどのように区別できるか？
• RQ5 宇宙ひもが、LISA で検出可能な特徴的な重力波シグナル（例えば、狭帯域スペクトル線や普遍的バースト波形）を生成できるか？

主な発見

• mHz 帯周波数帯域により、ハッブル定数の標準サイン測定が赤方偏移 $ z \sim 10 $ まで可能となり、地上ベースの検出器の到達範囲を超えて宇宙論的距離測定が拡張される。
• 強力な一次的電弱相転移に起因する確率的背景は、mHz 帯にピークを持ち、転移が十分に強く、温度が $ \sim 1–100 $ TeV で発生すれば検出可能な振幅を持つ可能性がある。
• 質量 $ 10^{20}–10^{22} $ g の原始ブラックホールは、mHz 帯にピークを持つ確率的重力波背景を生成し、もしダークマターの顕著な割合を占めている場合、LISA で検出可能である。
• 宇宙ひもは、狭帯域スペクトル線およびくすに起因するバーストを生成し、mHz 帯に特徴的で識別可能なシグナルを提供する可能性がある。
• LISA が低周波重力波に与える感度は、相転移および TeV スケールの新しい物理学を調べるうえで、パルサー時刻測定陣（PTA）や CMB 実験を上回る。
• 宇宙ベースの重力波観測所は、原始ブラックホールダークマターと重力波の相互作用を唯一直接的に探査でき、原始的形成と星形成のチャネルを区別する手がかりを提供する。