[論文レビュー] Detectability of hyperbolic encounters of compact stars with ground-based gravitational waves detectors

Sajal Mukherjee, S. Mitra+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、地上型干渉計を用いた、ブラックホールや中性子星などのコンパクト星の超楕円的接近から発生する重力波の検出可能性を調査している。保守的な天体物理学的パラメータと局所的クラスターダイナミクスを用いて、このようなイベントは現在および次世代の検出器で観測可能であると判明し、二重合体合体観測以外の絶縁コンパクト星の集団を推定する道筋を提供する。

ABSTRACT

Gravitational wave (GW) astronomy promises to observe different kinds of astrophysical sources. Here we explore the possibility of detection of GWs from hyperbolic interactions of compact stars with ground-based interferometric detectors and estimate detection rates for such events. It is believed that a closed cluster, such as a globular cluster, can be a primary source for these interactions. While a rigorous rate estimation calls for more extensive relativistic studies, here, for a reasonable set of parameters well within the astrophysical realm, and considering local geometry within the cluster for such interactions as well as realistic initial conditions, our conservative estimates show that these events may be detectable by the present (with ongoing upgrades) and next-generation ground-based observatories. Some of the implications pertaining to this formalism are represented along with comparisons with the existing literature. In practice, actual detection rates can significantly surpass the estimated average rates, since the chances of finding outliers in a very large population can be high. Such observations (or, no observation) will provide an estimate of isolated compact stars in the universe, which cannot be directly estimated from the observations of binary mergers, taking us one step closer to address a fundamental question, how many black holes and neutron stars are there in the observable universe.

研究の動機と目的

• 地上型干渉計検出器を用いた、コンパクト星の超楕円的接近から発生する重力波の検出可能性を評価すること。
• 特に球状星団内で、現実的な天体物理学的条件下でのこうしたイベントの検出レートを推定すること。
• これらのイベントの検出または未検出が、孤立コンパクト星の集団推定に与える影響を検討すること。
• 局所的クラスターゲオメトリと初期条件を考慮した、保守的だが現実的なイベントレートのフレームワークを提供すること。
• 二重合体合体観測と、観測可能な宇宙における孤立コンパクト星の広範な集計の間のギャップを埋めること。

提案手法

• 局所的幾何と初期条件に注目した、クラスタ環境内における相対論的力学に基づくコンパクト星の超楕円的接近のモデル化。
• 合体を伴わない高エネルギーの接近に対して、標準的な重力波放射形式を適用し、信号強度と持続時間の推定を行う。
• 観測されたクラスターダイナミクスの範囲内で、コンパクト星の質量、接近速度、衝突パラメータなどの現実的な天体物理学的パラメータを用いる。
• 現在の（例：LIGO A+）および次世代の検出器（例：Einstein Telescope、Cosmic Lopes）における信号対雑音比（SNR）の推定を行い、検出可能性を評価する。
• 既存の文献におけるコンパクト星集団と重力波検出レートを比較し、研究結果の文脈を明確にする。
• 大規模な星団における人口の外れ値と統計的フラクチュエーションを考慮した、保守的なレート推定手法を採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在および次世代の地上型干渉計によって、コンパクト星の超楕円的接近から発生する重力波信号は検出可能か？
• RQ2 特に球状星団において、保守的な天体物理学的仮定のもとで、こうしたイベントの予想される検出レートは何か？
• RQ3 超楕円的接近からの信号特性は、合体する二重系とどのように異なり、これにより検出戦略にどのような影響を与えるか？
• RQ4 合体を伴わないコンパクト星の接近は、孤立ブラックホールおよび中性子星の集団推定をどの程度改善できるか？
• RQ5 人口レベルの統計とクラスターダイナミクスは、こうしたまれで高速なイベントの検出可能性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 現実的な天体物理学的条件下で、コンパクト星の超楕円的接近は、現在および次世代の地上型検出器で検出可能な強度の重力波信号を発生させうる。
• 検出レートは無視できない程度に高く推定され、大規模星団における統計的外れ値の存在により、実際の検出レートが平均推定値を上回る可能性がある。
• 提示された形式は、二重合体合体観測では到達できない孤立コンパクト星の集団推定に実用的なフレームワークを提供する。
• 超楕円的接近からの信号特性は、合体する二重系とは顕著に異なり、特に持続時間と周波数の変化に差が生じるため、特化した検出戦略が求められる。
• 本研究は、こうしたイベントが、観測可能な宇宙における孤立ブラックホールおよび中性子星の集計に補足的手段を提供する可能性があると示唆している。
• 既存の文献との比較から、既知のコンパクト星密度とダイナミクスと整合的であり、モデルの物理的妥当性を裏付けている。