[論文レビュー] Current status of space gravitational wave antenna DECIGO and B-DECIGO

Seiji Kawamura, Masaki Ando+85 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2020

Geophysics and Gravity Measurements被引用数 48

ひとこと要約

DECIGOは、0.1–10 Hzの周波数帯を有する計画中の日本の宇宙望遠鏡で、宇宙インフレーションに由来する原始的重力波を検出するのを目的としており、ダークエネルギーが宇宙膨張に与える影響を測定し、中性子星およびブラックホール連星合体の高精度な予測を行う。B-DECIGOは2030年代に計画されるプロトタイプミッションであり、ドレッグフリー制御やファブリ・ペロー共振器の運用といった主要技術を実証すると同時に、正確な位置特定とタイミングにより多メッセンジャー天文学を可能にする。

ABSTRACT

Deci-hertz Interferometer Gravitational Wave Observatory (DECIGO) is the future Japanese space mission with a frequency band of 0.1 Hz to 10 Hz. DECIGO aims at the detection of primordial gravitational waves, which could be produced during the inflationary period right after the birth of the universe. There are many other scientific objectives of DECIGO, including the direct measurement of the acceleration of the expansion of the universe, and reliable and accurate predictions of the timing and locations of neutron star/black hole binary coalescences. DECIGO consists of four clusters of observatories placed in the heliocentric orbit. Each cluster consists of three spacecraft, which form three Fabry-Perot Michelson interferometers with an arm length of 1,000 km. Three clusters of DECIGO will be placed far from each other, and the fourth cluster will be placed in the same position as one of the three clusters to obtain the correlation signals for the detection of the primordial gravitational waves. We plan to launch B-DECIGO, which is a scientific pathfinder of DECIGO, before DECIGO in the 2030s to demonstrate the technologies required for DECIGO, as well as to obtain fruitful scientific results to further expand the multi-messenger astronomy.

研究の動機と目的

• 宇宙インフレーションに由来する原始的重力波を検出することで、インフレーション時代の直接的証明を提供すること。
• 宇宙の膨張の加速を測定し、ダークエネルギーに関する知見を得ること。
• 中性子星およびブラックホール連星合体の高精度な、数年間の予測を可能にし、電磁波フォローアップを可能にすること。
• 完全なDECIGOミッションに不可欠な技術——ドレッグフリー制御やファブリ・ペロー共振器の運用——を実証すること。
• 重力波帯と電磁波帯を横断する共同観測を可能にすることで、多メッセンジャー天文学を拡張すること。

提案手法

• DECIGOは、太陽周回軌道上に3つの宇宙船クラスタを配置し、各クラスタが1,000 kmの腕長を持つファブリ・ペロー共振器を内蔵したミケルソン干渉計を形成する。
• 第4のクラスタは、原始的重力波の検出に不可欠な相関測定を可能にするために、3つのクラスタのうちの1つと同一位置に配置される。
• B-DECIGOは、DECIGOのアーキテクチャの小型版を用いて、低地球軌道で主要技術の検証を実施する。
• ミッションは、超高安定な光学共鳴器とドレッグフリー制御を用いたレーザー干渉計技術を採用し、非重力的加速度を最小限に抑える。
• 背景雑音の除去技術が開発され、連星合体などの天体的背景から原始的信号を分離する。
• 2020年代に技術プロトタイプミッションが計画されている：1つは2基のマイクロサタライトを用いてファブリ・ペロー共振器の運用を実証するもので、もう1つはドレッグフリー制御とファブリ・ペロー共振器システムの併用を検証するものである。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.1–10 Hz帯を有する宇宙望遠鏡が、宇宙インフレーションに由来する原始的重力波を検出可能かどうか。
• RQ2 DECIGOは、多メッセンジャーフォローアップのための、中性子星およびブラックホール連星合体のタイミングと天の川位置をどの程度の精度で予測できるか。
• RQ3 将来の宇宙干渉計に向け、ドレッグフリー制御とファブリ・ペロー共振器の安定化を宇宙で併用する技術的実現可能性と性能はいかほどか。
• RQ4 B-DECIGOは、完全なDECIGOの技術的準備度を実証しつつ、顕著な天体物理学的科学的成果を提供可能かどうか。
• RQ5 高精度な波形測定を通じて、DECIGOはブラーンズ＝ディック理論のような代替重力理論に対する制約をどの程度改善できるか。

主な発見

• DECIGOは、赤方偏移5までに、1年間で約100,000件の中性子星連星合体イベントを検出すると予想され、合体時刻の予測精度は約0.1秒に達する。
• 源の位置特定における角分解能は約1角秒に達すると予想され、高精度な電磁波フォローアップ観測が可能になる。
• B-DECIGOは、赤方偏移0.1において、中性子星連星合体の位置特定精度を約0.01 deg²、時刻予測精度を約0.1秒に達する。
• ミッションは、カシニ測定と比較してブラーンズ＝ディックパラメータの制約を4桁改善することを目的としている。
• DECIGOは、地上ベースの検出器帯域に位置するブラックホール連星合体からの重力波を、特に合体時刻と天の川位置のパラメータ推定を高精度で検出可能になる。
• ミッションは、スカラーおよびベクトル重力波モードの検出を可能にし、偏光におけるパリティ対称性の検証を行い、原始ブラックホールがダークマターに果たす役割を解明する。