[論文レビュー] Damping of gravitational waves in a viscous Universe and its implication for dark matter self-interactions

B. Lu, Da Huang+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、粘性宇宙における重力波（GW）減衰を制約するための新規手法を提案する。この手法は、減衰効果を吸収する有効距離を導入することで、LIGO/Virgoの距離測定結果を直接利用可能にする。GW170817および他のイベントの解析から、95%信頼水準でGW減衰率に対する上限は $6.75 \times 10^{-4}\ \text{Mpc}^{-1}$ であることが得られ、これは小スケール構造問題に関連するダークマター自己相互作用を制約できるのは $D \gtrsim 10^4\ \text{Mpc}$ の距離より遠方からのGWに限ることを示唆している。

ABSTRACT

It is well known that a gravitational wave (GW) experiences the damping effect when it propagates in a fluid with nonzero shear viscosity. In this paper, we propose a new method to constrain the GW damping rate and thus the fluid shear viscosity. By defining the effective distance which incorporates damping effects, we can transform the GW strain expression in a viscous Universe into the same form as that in a perfect fluid. Therefore, the constraints of the luminosity distances from the observed GW events by LIGO and Virgo can be directly applied to the effective distances in our formalism. We exploit the lognormal likelihoods for the available GW effective distances and a Gaussian likelihood for the luminosity distance inferred from the electromagnetic radiation observation of the binary neutron star merger event GW170817. Our fittings show no obvious damping effects in the current GW data, and the upper limit on the damping rate with the combined data is $6.75 imes 10^{-4}\,{ m Mpc}^{-1}$ at 95\% confidence level. By assuming that the dark matter self-scatterings are efficient enough for the hydrodynamic description to be valid, we find that a GW event from its source at a luminosity distance $D\gtrsim 10^4\; m Mpc$ can be used to put a constraint on the dark matter self-interactions.

研究の動機と目的

• 既存のGW観測を用いて、粘性宇宙論的流体における重力波（GW）減衰を制約する手法を開発すること。
• GW減衰の制約を、ダークマター（DM）自己相互作用（SI）断面積への制限に翻訳すること。
• 現在のGWデータが、小スケール構造問題を解消する可能性を有するDM SIシナリオを探索可能かどうかを評価すること。
• GW有効距離と電磁対応体（例：GW170817）を組み合わせることで制約を改善すること。
• GW減衰がDM SIに意味のある制約を与えるために必要な最小のランク距離を特定すること。

提案手法

• せん断粘性による減衰率を組み込んだ有効距離を定義し、粘性流体内でのGW歪みを完全流体と同一形式に変換する。
• LIGO/VirgoのGWイベントから得られる有効距離の対数正規尤度関数を用いて、減衰率を制約する。
• GW170817の電磁対応体（GRB170817A）からの距離のガウス尤度を組み込み、制約を改善する。
• $\chi^2$ 統計を用いて尤度を結合し、GW減衰率 $\beta$ の上限を導出する。
• $\beta$ の上限をせん断粘性に翻訳し、さらにダークマター自己相互作用断面積への制限に変換する。
• GW減衰がダークマター流体力学を探索可能かどうかを評価するため、$D \gtrsim 10^4\ \text{Mpc}$ の距離が必要であると仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のLIGO/VirgoのGWデータを用いて、原始的歪みデータの再解析なしに、粘性宇宙におけるGW減衰を制約できるか？
• RQ2 GWと電磁観測を統合した結果から、95%信頼水準における重力波減衰率 $\beta$ の上限は何か？
• RQ3 GW減衰は、小スケール構造問題を解消するダークマター自己相互作用を探索する有効なプローブとなり得るか？
• RQ4 GW減衰がダークマター自己相互作用断面積を制約できるようになるのは、どのランク距離からか？
• RQ5 GW170817の電磁対応体の組み込みが、GW減衰率の制約にどのように寄与するか？

主な発見

• GW減衰率の上限は、GWと電磁観測を統合した結果、95%信頼水準で $6.75 \times 10^{-4}\ \text{Mpc}^{-1}$ である。
• 現在のGWデータには顕著な減衰効果は観測されておらず、宇宙論的流体におけるせん断粘性が無視できる程度であることに整合的である。
• 有効距離形式により、標準的なランク距離制約を粘性GW伝播に直接適用可能である。
• GW減衰から得られるダークマター自己相互作用断面積への制限は、$D \gtrsim 10^4\ \text{Mpc}$ の距離にある源に対してのみ意味を持つ。
• 現在のGW検出器の感度では、DM自己相互作用を探索する範囲が制限されており、将来的にははるかに遠方の検出が必要となる。
• 本手法は一般化可能であり、Horndeski理論や高次元モデルなどの、GW減衰を予測する他の重力理論の検証へも応用可能である。