[論文レビュー] Cosmology and the Early Universe

B. S. Sathyaprakash, Enis Belgacem+16 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2019

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 100被引用数 4

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、第三世代重力波検出器（例：アインシュタイン・テレスコープ、コズミック・エクスプローラー）が、ダークエネルギーおよび宇宙論的パラメータの高精度なスタンダード・シーレン測定を可能にすることで、宇宙論を変革する方法を概説している。また、修正重力の探査や、初期宇宙からの原始的重力波背景の検出も可能となる。本研究では、3G検出器が宇宙論的パラメータ推定において1–2%の不確実性を達成できることを示しており、電磁標準標準巣とは独立した、系統誤差に強く頑健な代替手段を提供する。

ABSTRACT

This Astro-2020 White Paper deals with what we might learn from future gravitational wave observations about the early universe phase transitions and their energy scales, primordial black holes, Hubble parameter, dark matter and dark energy, modified theories of gravity and extra dimensions.

研究の動機と目的

• 第三世代重力波検出器（例：アインシュタイン・テレスコープ、コズミック・エクスプローラー）が宇宙論および基礎物理学に与える変革的潜在能力を評価すること。
• 二重ブラックホールおよび中性子星合体からのスタンダード・シーレンが、宇宙論的パラメータを独立的かつ高精度に測定できるかを評価すること。
• 原始的重力波背景の検出可能性と、初期宇宙物理学に与える影響を調査すること。
• 重力波の伝搬および距離関数におけるずれを通じて、将来の検出器が修正重力理論にどれほど感度を持つのかを探索すること。
• 原始的信号の検出における、天体的背景からのフォアグラウンド除去の課題に対処すること。

提案手法

• 共鳴する二重星系からの重力波の振幅および周波数の変化を用いて、宇宙距離階層を介さずに距離関数を直接推定する。
• 天体的集団（例：二重星合体、コアコラプス）に起因する確率的重力波背景をモデル化し、原始的信号の検出に与える影響を評価する。
• 3G検出器の感度を用いて、赤方偏移 z ~ 10 までに及ぶスタンダード・シーレンの検出をシミュレートし、基準的な ΛCDM 宇宙論を仮定する。
• 1000件の二重中性子星合体イベントのモックカタログ（電磁波対応あり）を用いて、統計的手法を適用し、宇宙論的パラメータ（例：Ω_M、w₀）を再構築する。
• ホルンデスキー理論や非局所重力などの修正重力理論が、赤方偏移に伴う波の振幅減衰に影響を与えることにより、測定された重力波距離関数にずれを生じさせることを分析する。
• 確率的背景における、統合サックス＝ホルツ効果やレンズ効果といった、宇宙論的摂動の痕跡の検出可能性を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第三世代重力波検出器は、ダークエネルギーの状態方程式 w₀ や物質密度 Ω_M といった宇宙論的パラメータを1–2%の不確実性で測定可能か？
• RQ2 二重星合体に起因する天体的フォアグラウンドは、どれほど正確に除去可能であり、その結果として原始的重力波背景が検出可能か？
• RQ3 修正重力理論が重力波の伝搬および距離関数にどのように影響を与えるか。また、3G検出器はその効果を一般相対性理論とは異なるものとして区別できるか？
• RQ4 将来の重力波観測は、インフレーションや相転移といった初期宇宙物理学にどのような制約を課すことができるか、原始的確率的背景を通じて。
• RQ5 スタンダード・シーレンは、電磁標準標準巣とは対照的に、独立的かつ系統誤差に強く頑健なダークエネルギーのプローブを提供できるか？

主な発見

• アインシュタイン・テレスコープやコズミック・エクスプローラーなどの第三世代検出器は、電磁波対応のある約1000件の二重中性子星合体イベントを用いて、宇宙論的パラメータを1–2%の不確実性で測定可能である。
• 3G検出器からのスタンダード・シーレンは、標準標準巣が到達できない赤方偏移 z ~ 10 までの宇宙論的距離を測定可能であり、顕著に広い範囲をカバーする。
• 天体的二重星系に起因する確率的背景は、十分な精度で差し引くことができ、その結果として振幅 Ω_GW ~ 10^−13 の原始的背景の検出が可能となる。
• 赤方偏移に伴う重力波振幅減衰を変化させる修正重力理論は、電磁距離関数と比較した測定された重力波距離関数のずれを通じて、検出可能である。
• 将来の検出器は、確率的背景における統合サックス＝ホルツ効果やレンズ効果といった、修正重力の痕跡を検出できる可能性がある。
• 二重星合体に起因する天体的フォアグラウンドは、大多数の宇宙論的背景よりも数個桁大きいが、その除去後の残留フォアグラウンドは、原始的信号検出にとって重要な課題のまま残る。