[論文レビュー] Astro2020 science white paper: The gravitational wave view of massive black holes

Monica Colpi, Kelly Holley‐Bockelmann+17 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 54被引用数 16

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、重力波（GW）観測所—LISAとパulsarタイムイングアレイ（PTA）—が、宇宙の歴史を通じて質量ブラックホール（MBH）の合体を検出することで、MBHの理解を革命的に進めるだろうと提言している。LISAは、MBHの質量とスピンを画期的な精度で測定するが、PTAは超質量二重MBHから生じる宇宙的重力波背景を追跡し、MBHの進化と力学的挙動の包括的把握を可能にする。

ABSTRACT

Coalescing, massive black-hole (MBH) binaries are the most powerful sources of gravitational waves (GWs) in the Universe, which makes MBH science a prime focus for ongoing and upcoming GW observatories. The Laser Interferometer Space Antenna (LISA) -- a gigameter scale space-based GW observatory -- will grant us access to an immense cosmological volume, revealing MBHs merging when the first cosmic structures assembled in the Dark Ages. LISA will unveil the yet unknown origin of the first quasars, and detect the teeming population of MBHs of $10^4 - 10^7$ solar masses. forming within protogalactic halos. The Pulsar Timing Array, a galactic-scale GW survey, can access the largest MBHs the Universe, detecting the cosmic GW foreground from inspiraling MBH binaries of about 10^9 solar masses. LISA can measure MBH spins and masses with precision far exceeding that from electromagnetic (EM) probes, and together, both GW observatories will provide the first full census of binary MBHs, and their orbital dynamics, across cosmic time. Detecting the loud gravitational signal of these MBH binaries will also trigger alerts for EM counterpart searches, from decades (PTAs) to hours (LISA) prior to the final merger. By witnessing both the GW and EM signals of MBH mergers, precious information will be gathered about the rich and complex environment in the aftermath of a galaxy collision. The unique GW characterization of MBHs will shed light on the deep link between MBHs of $10^4-10^{10}$ solar masses and the grand design of galaxy assembly, as well as on the complex dynamics that drive MBHs to coalescence.

研究の動機と目的

• 宇宙の歴史を通じて質量ブラックホール（MBH）の形成と進化を調べるため、重力波天文学を主要なツールとして確立すること。
• 赤方偏移z ~ 20の高赤方偏移域でMBHが形成され、z ~ 7にかけて超質量サイズに成長するという未解決の謎を解明すること。
• LISAとPTAが検出可能なGW信号を用いて、MBHの人口統計、スピン、合体率を特徴づけること。
• 合体の前後における電磁的対応物とGW検出を結びつけることで、マルチメッセンジャーエイドロミーを可能にすること。
• GW波形を通じて時空幾何学とMBHのイベントホライズン構造を測定することで、一般相対性理論の基本的物理を検証すること。

提案手法

• 100 µHz～100 mHzに感度を持つ宇宙ステーション型重力波観測所LISAを活用し、質量が10⁴～10⁷ M☉の中間質量ブラックホール二重系が、遅いインスピレーション、合体、リンドラウンド段階で発する重力波を検出すること。
• 銀河内に分布するミリ秒パulsarを監視するパulsarタイムイングアレイ（PTA）を用い、質量が約10⁹ M☉の中間質量ブラックホール二重系から生じる、10年スケールのストキャスティック重力波背景を検出すること。
• 同等質量、非プリセッシングのMBH二重系からのGW信号を一般相対性理論的波形でモデル化し、質量に比例して信号の振幅と周波数をスケーリングすることで、広い動的レンジをカバーすること。
• GWデータと宇宙論的シミュレーションを統合し、原始銀河ハロー内でのMBH形成と、主要合体を通じた進化をモデル化すること。
• ベイズ推論を用いて、SNRがLISAで約1000に達する高SNRのGW信号から、MBHの質量、スピン、天球位置などのパラメータを抽出すること。
• EMとGWデータを統合し、マルチメッセンジャーアラートを発動させ、MBH合体の前後における環境の連携観測を可能にすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量ブラックホールは、特に宇宙の夜明け（z ~ 20）期にどのようにして形成され、成長するのか？
• RQ2 MBHの真の合体率は宇宙の歴史を通じてどのように変化するのか？また、銀河合体の歴史とどのように関係しているのか？
• RQ3 LISAは、電磁観測のみに比べて、MBHのスピンと質量をより高い精度で測定できるか？
• RQ4 PTAが検出するストキャスティック重力波背景の性質は何か？また、超質量MBHの集団を制約するにはどう寄与するか？
• RQ5 密度の高い星間環境におけるMBH二重系の力学的挙動は、そのGW放射と合体スケールにどのように影響を与えるか？

主な発見

• LISAは、10⁴～10⁷ M☉のMBH二重系を、SNRが最大で約1000に達するまで検出可能であり、質量とスピンの高精度測定が可能になる。
• LISAは、ダークエイジスに原始銀河ハロー内で合体するMBHを検出することで、z ~ 7における高赤方偏移クェーサーの起源を明らかにする。
• PTAは、質量が約10⁹ M☉の中間質量ブラックホール二重系から生じるストキャスティック重力波背景を検出可能であり、宇宙で最も質量の大きなブラックホールの集団を把握する手がかりを提供する。
• LISAは、電磁的プローブに比べてはるかに高い精度でMBHのスピンと質量を測定可能であり、強引力場における一般相対性理論の直接的検証を可能にする。
• MBH合体からのGW検出は、電磁的フォローアップを促すアラートを発動させ、LISAは合体の数時間前までに警告を提供し、PTAは数十年にわたる予測を可能にする。
• LISAとPTAの統合データは、宇宙の歴史を通じて二重MBHとその軌道的進化の、初めての完全で宇宙論的完全な集計を提供する。