[論文レビュー] Detection of Gravitational Waves using Pulsar Timing

R. N. Manchester|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2010

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、銀河核内の超大質量ブラックホール二重星系から発する重力波（GW）を、天の川全域のミリ秒パルサーにおける相関 Timing Residuals を測定することによって、パルサー時効配列（PTA）を用いて検出することを提案している。現在のパーキーズ・パルサー時効配列（PPTA）の精度に加え、国際パルサー時効配列（IPTA）および平方キロメートルアレイ（SKA）による今後の改善を踏まえると、現在のモデルが正しい限り、数年以内に確率的GW背景の検出が期待される。

ABSTRACT

Pulsars are very stable clocks in space which have many applications to problems in physics and astrophysics. Observations of double-neutron-star binary systems have given the first observational evidence for the existence of gravitational waves (GWs) and shown that Einstein's general theory of relativity is an accurate description of gravitational interactions in the regime of strong gravity. Observations of a large sample of pulsars spread across the celestial sphere forming a "Pulsar Timing Array" (PTA), can in principle enable a positive detection of the GW background in the Galaxy. The Parkes Pulsar Timing Array (PPTA) is making precise timing measurements of 20 millisecond pulsars at three radio frequencies and is approaching the level of timing precision and data spans which are needed for GW detection. These observations will also allow us to establish a "Pulsar Timescale" and to detect or limit errors in the Solar System ephemerides used in pulsar timing analyses. Combination of PPTA data with that of other groups to form an International Pulsar Timing Array (IPTA) will enhance the sensitivity to GWs and facilitate reaching other PTA goals. The principal source of GWs at the nanoHertz frequencies to which PTAs are sensitive is believed to be super-massive binary black holes in the cores of distant galaxies. Current results do not signficantly limit models for formation of such black-hole binary systems, but in a few years we expect that PTAs will either detect GWs or seriously constrain current ideas about black-hole formation and galaxy mergers. Future instruments such as the Square Kilometre Array (SKA) should not only detect GWs from astrophysical sources but also enable detailed studies of the sources and the gravitational theories used to account for the GW emission.

研究の動機と目的

• 高精度に時効測定されたミリ秒パルサーのネットワークを用いて、重力波の直接検出を可能にする。
• 二重パルサーの時効測定を通じて、一般相対性理論の強力場領域における検証を実施する。
• パルサーを用いた時刻スケールの確立と、太陽系エフェメリデスの誤差の検出。
• グローバルなPTA共同作業からのデータ統合を通じて、重力波背景への感度を向上させる。
• 次世代機器（例：SKA）を用いた、個々のGW源の将来的な検出および詳細な源特徴の特定に備える。

提案手法

• 複数の電波周波数で、20個のミリ秒パルサーに対する長期的で高精度な時効測定を実施する。
• パルサーの天球的アレイにおける時効残差を分析し、通過する重力波によって引き起こされる相関ずれを検出する。
• パルサー対間で特徴的なシグネチャを持つ確率的重力波背景を特定するため、相互相関技術を適用する。
• 複数の国際的PTAグループからのデータを国際パルサー時効配列（IPTA）に統合し、感度を向上させるとともに、システム的誤差を低減する。
• 超大質量ブラックホール二重星系および宇宙ひもからの期待されるGW信号をモデル化し、感度の閾値を設定する。
• シミュレーションを用いて、パルサー分布および信号対雑音比に基づく源の局所化精度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パルサー時効配列は、銀河核内の超大質量ブラックホール二重星系から発する確率的重力波背景を検出可能か？
• RQ2 パルサー配列を用いて、重力波源の天球位置をどの程度正確に局所化できるか？
• RQ3 個々のパルサーにおける時効の不規則性が、重力波の検出にどの程度制限を及えるか？
• RQ4 SKAなどの現在および将来の機器の、個々の重力波源に対する期待される感度はどの程度か？
• RQ5 パルサー時効測定および太陽系エフェメリデスにおけるシステム的誤差は、重力波の検出にどのように影響を与えるか？

主な発見

• パーキーズ・パルサー時効配列（PPTA）は、確率的重力波背景の肯定的検出に必要な時効精度とデータ期間に近づいている。
• 現在のパルサー時効制限は、重力波放出による中質量ブラックホール形成モデルを強く制限している。
• 超大質量二重ブラックホールからの確率的GW背景は、軌道周期と同等の期間にわたって、5〜50ナノ秒の相関時効残差を生じると予想される。
• シミュレーションにより、PPTAの南半球におけるパルサー分布が、半力ビーム幅15°〜20°の源局所化を可能としており、より良い天球カバレッジが向上をもたらすことが示された。
• 国際パルサー時効配列（IPTA）は、重力波への感度を著しく向上させるとともに、システム的誤差の低減を実現する。
• 平方キロメートルアレイ（SKA）は、確率的および個々の重力波源を高精度で検出可能であり、詳細な源および放射特性の研究が可能になると予想される。