[論文レビュー] Cosmological Backgrounds of Gravitational Waves and eLISA

Jean-François Dufaux|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2012

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、eLISAという宇宙望遠鏡が、一次相転移および宇宙ひもに起因するコスモロジカルな確率的背景から重力波を検出できる可能性を評価している。eLISAは、それらの信号が特徴的な周波数スペクトルを予測するため、装置ノイズからそれらを区別できることを示している。特に、宇宙ひもは広い周波数帯域にわたり検出可能であり、eLISAやパルサー・タイム・アレイ、高度な地上ベースの検出器といった他の実験とも併用可能である。

ABSTRACT

We review cosmological backgrounds of gravitational waves with a particular attention to the scientific potential of the eLISA/NGO mission. After an overview of cosmological backgrounds and detectors, we consider different cosmological sources that could lead to an observable signal. We then study the backgrounds produced by first-order phase transitions and networks of cosmic strings, assessing the prospects for their detection.

研究の動機と目的

• eLISAミッションがコスモロジカル重力波(GW)背景を検出する科学的潜在能力を評価すること。
• eLISAの感度曲線を用いて、一次相転移および宇宙ひもに起因する確率的GW背景の検出可能性を評価すること。
• eLISAがコスモロジカルGW信号を装置ノイズおよび天体的混雑ノイズから区別できるかどうかを検討すること。
• eLISAで観測可能な宇宙ひもおよび相転移のパラメータ空間を特定すること。
• パルサー・タイム・アレイおよび地上ベースの検出器との感度比較を通じて、マルチメッセンジャーの可能性を検討すること。

提案手法

• コスモロジカルGW背景を特徴付ける主観測量として、正規化されたGWエネルギー密度スペクトル $ h^2\Omega_{gw}(f) = \frac{h^2}{\rho_c} \frac{d\rho_{gw}}{d\log f} $ を用いる。
• バブル壁の力学および衝撃波を含む一次相転移からのGW放射の理論的モデルを適用し、それによるGWパワー・スペクトルを予測する。
• 宇宙ひもからのGW背景を、ループ生成スペクトルおよび全放射パワー $ P_{gw} \sim 50G\mu^2 $ を用いてモデル化する。ここで $ \mu $ はひもの張力である。
• 赤方偏移および相対論的自由度の変化を含む宇宙論的進化効果を組み込み、GWスペクトルの周波数依存性を計算する。
• eLISAの感度曲線（銀河系バイナリーの混雑ノイズを除いた後）と、LIGO、パルサー・タイム・アレイ、CMB測定からの観測的制限とを比較する。
• 数値シミュレーションと解析的近似を用いて、特に高周波数帯で平坦なスペクトル、低周波数帯で $ \Omega_{gw} \propto f^{3/2} $ の依存性を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 eLISAは一次相転移に起因する確率的重力波背景を検出可能か？ 信号が装置のノイズ閾値を超える条件は何か？
• RQ2 宇宙ひもが生成する重力波背景の周波数依存性は何か？ ループの寿命およびひもの張力にどのように依存するか？
• RQ3 eLISAが検出可能な宇宙ひものパラメータ空間（$ G\mu $ およびループ寿命で特徴づけられる）はどの範囲か？ また、パルサー・タイム・アレイや地上ベースの検出器からの制限と比較するとどうなるか？
• RQ4 相転移と宇宙ひも背景の特徴的なスペクトル形状のおかげで、eLISAはそれらを装置ノイズおよび他の天体的背景から区別できるか？
• RQ5 eLISA＋PTA＋アドバンスドLIGOといった複数の装置による検出は、コスモロジカルGW信号の特徴づけをどの程度向上できるか？

主な発見

• 長寿命のループを持つ宇宙ひもからのGW背景は、高周波数帯（放射時代）でほぼ平坦なスペクトルを示し、低周波数帯では $ \Omega_{gw} \propto f^{3/2} $ に減少する。
• $ G\mu \sim 10^{-12} $ の宇宙ひもでは、$ 10^{-4} \text{ から } 10^{-1} \text{ Hz} $ の周波数帯域でeLISAの感度曲線をはるかに上回るGW信号が得られ、検出が可能である。
• eLISAは、単純な超弦理論モデルに由来する宇宙ひものパラメータ空間の大部分を探索可能であり、特に $ G\mu \lesssim 10^{-12} $ の範囲で顕著である。
• eLISAとパルサー・タイム・アレイなどの他の実験が同時にアクセス可能な宇宙ひものパラメータ空間の大部分が重複しており、相互に検証可能で信号の特徴づけが向上する。
• 一次相転移に起因するGW背景は、特徴的な周波数依存性を示し、特に転移が強い場合、ノイズや他の背景から区別可能である。
• 現在の観測的制限（例：LIGO S5およびパルサー・タイム・アレイ）により、宇宙ひものパラメータ空間の一部が既に制限されており、特に $ f \sim 10^{-9} \text{ Hz} $ で最も厳しい制限が適用されており、$ h^2\Omega_{gw} \lesssim 6 \times 10^{-9} $ である。