[論文レビュー] Cosmic String Detection via Microlensing of Stars

Chernoff, David F., S.-H. Henry Tye|ArXiv.org|Sep 7, 2007

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 37被引用数 18

ひとこと要約

本論文では、宇宙超ひもによる星のマイクロレンズ効果を、宇宙における低張力の宇宙ひもを検出する手法として提案している。レンズ効果の発生率と時間スケールが張力 $G\mu/c^2$ にどのように依存するかをモデル化することで、Gaia などのミッションが $G\mu \sim 10^{-10}$ から $10^{-6}$ のひもを検出可能であることを示し、逆に検出が得られなければ $G\mu < 10^{-10}$ であると制限される。これは相対論的ループ運動に起因する繰り返し可能な特徴的な署名を提供する。

ABSTRACT

Cosmic superstrings are produced towards the end of the brane inflation. If the string tension is low enough, loops tend to be relatively long-lived. The resultant string network is expected to contain many loops which are smaller than typical Galactic scales. Cosmic expansion damps the center of mass motion of the loops which then cluster like cold dark matter. Loops will lens stars within the galaxy and local group. We explore microlensing of stars as a tool to detect and to characterize some of the fundamental string and string network properties, including the dimensionless string tension $G μ/c^2$ and the density of string loops within the Galaxy. As $G μ o 0$ the intrinsic microlensing rate diverges as $1/\sqrt{G μ}$ but experimental detection will be limited by shortness of the lensing timescale and/or smallness of the bending angle which each vary $\propto G μ$. We find that detection is feasible for a range of tensions. As an illustration, the planned optical astrometric survey mission, Gaia, should be able to detect numerous microlensing events for string networks with tensions $10^{-10} \simless G μ\simless 10^{-6}$. A null result for optical microlensing implies $G μ\simless 10^{-10}$. If lensing of a given source is observed it will repeat because the internal motions of the loop are relativistic but the center of mass motion may be much smaller, of order the halo velocity. This distinctive hallmark $\sim 1000$ repetitions, suggests a useful method for confirmation of a potential lensing detection.

研究の動機と目的

• ブレーンインフレーション理論による予測される宇宙超ひもを、星のマイクロレンズ効果によって検出可能な手法として検討すること。
• 次元なしのひも張力 $G\mu/c^2$ に依存するマイクロレンズ効果の発生率と時間スケールの依存関係を定量化すること。
• 特に Gaia を含む現在および計画中のアストロメトリック調査を用いた宇宙ひもの検出可能性を評価すること。
• 宇宙ひもマイクロレンズ効果を確認するための特徴的な観測的署名（例：繰り返し発生するレンズ効果）を同定すること。
• $\Lambda$CDM を含む現実的な宇宙論的モデルに基づいた、銀河系ループ密度およびレンズ効果頻度の推定を行うこと。

提案手法

• 相対論的宇宙ひもループを点状の重力レンズとして扱い、星の光の断面積および増幅をモデル化すること。
• ループがコールドダークマターと同様に分布し、ハロー速度 $v_h$ で運動すると仮定して、マイクロレンズ光学的厚さおよびイベント発生率を $G\mu$ の関数として導出すること。
• $\text{発生率} \propto 1/\sqrt{G\mu}$ および $\text{時間スケール} \propto G\mu$ のスケーリング則を用いて、検出限界を推定すること。
• $\Lambda$CDM 宇宙論モデルを用いて、重力放射によるループ生成および崩壊の時間依存的プロセスを組み込み、ループ分布関数を計算すること。
• 数値的に、パラメータ（例：$\beta=1.6$, $\alpha_U=0.3$, $\alpha_L=10^{-4}$）を数値シミュレーションの結果から取り入れ、ループサイズおよび $G\mu$ に依存するループ数密度 $dN/dVdl$ を評価すること。
• レンズ効果光学的厚さを評価するため、総ループエネルギー密度 $\Omega_{\text{loops}} \sim 8.5 \times 10^{-6} (G\mu / 2 \times 10^{-10}) H(X,Y)$ を推定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙超ひもによる星のマイクロレンズ効果は、銀河内に存在する低張力ひもに対して検出可能な信号を提供できるか？
• RQ2 マイクロレンズ効果の発生率およびイベント時間スケールは、ひも張力 $G\mu/c^2$ にどのように依存するか？
• RQ3 Gaiaミッションは、さまざまなひも張力の範囲で予想されるマイクロレンズイベント発生率はどの程度か？
• RQ4 ひものループ内での相対論的運動に起因する繰り返しマイクロレンズイベントは、宇宙ひもマイクロレンズ効果を確認するための固有の署名として機能できるか？
• RQ5 現実的な宇宙論的モデル（$\Lambda$CDM）およびループ生成・崩壊パラメータが、予測されるレンズ効果発生率およびループ密度にどのように影響を与えるか？

主な発見

• マイクロレンズ効果の発生率は $G\mu$ が小さい領域で $1/\sqrt{G\mu}$ に発散するため、低張力ひもはマイクロレンズ効果による検出がより容易である可能性がある。
• Gaia は $10^{-10} \lesssim G\mu \lesssim 10^{-6}$ の宇宙ひもネットワークに対して多数のマイクロレンズイベントを検出すると予想され、有望な検出手法である。
• 光学的マイクロレンズ効果の検出が得られなければ、$G\mu < 10^{-10}$ であると強く制限され、ひも張力の上限が明確に得られる。
• 検出された各レンズ効果イベントは、ひものループの相対論的内部運動に起因して $c/v_h \sim 1000$ 回程度繰り返されることが予想され、特徴的な観測的署名を提供する。
• ループ分布およびレンズ効果発生率は $\beta$, $\alpha_U$, $\alpha_L$, $G\mu$ などのパラメータに敏感であり、$G\mu$ が小さいほど、より小さなループスケールに分布が延びる。
• より現実的なネットワーク進化モデルを用いることで、銀河系のレンズ効果頻度は上昇する可能性があるが、ループ同士の相互作用の影響については未だ不確実である。