[論文レビュー] Extragalactic Proper Motions: Gravitational Waves and Cosmology

Jeremy Darling, Alexandra Truebenbach+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2018

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 3被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、次世代Very Large Array (ngVLA)を用いて、重力波、非等方的膨張、異常速度などの宇宙論的信号を、類似した精度で測定することを提案している。ngVLAは、特にEモードおよびBモードのベクトル球面調和モードにおいて、Gaiaを上回るアストロメトリック感度を示すと予測されており、これは、より少ない源のサンプルではあるが、1源あたりの精度が優れているためである。

ABSTRACT

Extragalactic proper motions can reveal a variety of cosmological and local phenomena over a range of angular scales. These include observer-induced proper motions, such as the secular aberration drift caused by the solar acceleration about the Galactic Center and a secular extragalactic parallax resulting from our motion with respect to the cosmic microwave background rest frame. Cosmological effects include anisotropic expansion, transverse peculiar velocities induced by large scale structure, and the real-time evolution of the baryon acoustic oscillation. Long-period gravitational waves can deflect light rays, producing an apparent quadrupolar proper motion signal. We review these effects, their imprints on global correlated extragalactic proper motions, their expected amplitudes, the current best measurements (if any), and predictions for Gaia. Finally, we describe a possible long-baseline ngVLA program to measure or constrain these proper motion signals. In most cases, the ngVLA can surpass or complement the expected end-of-mission performance of the Gaia mission.

研究の動機と目的

• 宇宙論的および局所的力学的現象に関連するグローバル銀河間固有運動信号を特定・定量化すること。
• 現在のまたは計画中のミッションよりも高い精度でこれらの信号を検出または制約する可能性をngVLAが有するかを評価すること。
• EモードとBモードの信号を分離するために、ベクトル球面調和関数（VSH）を用いた相関固有運動場の分析フレームワークを構築すること。
• 観測者に起因する効果（例：恒久的偏向ずれ、恒久的視差）をngVLAがどの程度測定できるかを評価すること。
• 長基線アストロメトリーを用いて、初期の重力波や大規模構造を調べる役割をngVLAが果たす可能性を検討すること。

提案手法

• ベクトル球面調和関数（VSH）を用いて銀河間固有運動信号をモデル化し、それらを発散なし（curl-free）のEモードと渦なし（divergenceless）のBモードに分解する。
• 恒久的偏向ずれ、恒久的視差、回転、非等方的膨張、重力波、BAOの進化などの各信号タイプについて、期待される振幅および角スペクトルをシミュレートする。
• 現在のVLBAのアストロメトリック精度（±10 µas yr⁻¹）を基に、10,000個のコン pact 電波源を10年間観測すると仮定して、ngVLAの性能を予測する。
• 集光面積および基線分解能の向上を仮定し、内部ジェットに起因する固有運動ノイズを√Nでスケーリングすることで、ノイズを補正する。
• 予測されたngVLAの性能を、Gaiaのミッション終了時の感度と比較し、S/N比および検出閾値に注目する。
• 低振幅信号（例：ΩGW < 10⁻⁵）の検出可能性および恒久的視差を用いた標準キャンドルラダーに依存しない宇宙論の可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ngVLAは、太陽系が銀河中心の周りを加速運動していることによる恒久的偏向ずれを、Gaiaよりも高い精度で検出できるか？
• RQ2 恒久的視差は、標準キャンドルラダーを用いずに、局所宇宙における幾何的距離をどの程度正確に測定できるか？
• RQ3 ngVLAは、銀河間固有運動場に及ぼす初期重力波背景のインプリントを用いて、初期重力波背景を制約できるか？
• RQ4 大規模構造に起因する異常速度を検出するにあたり、ngVLAのアストロメトリック精度はGaiaと比べてどの程度優れているか？
• RQ5 回転する宇宙や重力波背景に起因するBモード信号に対して、ngVLAの感度はどの程度か？

主な発見

• 恒久的偏向ずれに対して、ngVLAは50σのS/N比を達成すると予測されており、Gaiaの10σ予測を著しく上回る。
• 恒久的視差に関しては、Eモードダイポールを78 µarcsec yr⁻¹ Mpc⁻¹の精度で約10σで検出可能であり、局所宇宙における距離測定が可能となる。
• 回転に起因するBモードダイポールは、< 0.1 µas yr⁻¹の精度で制約可能であり、現在の限界を5倍改善する。
• 非等方的膨張に対しては、H₀の0.7%未満のレベルで検出可能であり、この信号に関してはGaiaの感度を上回ると予測される。
• 重力波背景に関しては、ΩGW < 4 × 10⁻⁴の制約が可能であり、Gaiaの限界（ΩGW < 6.4 × 10⁻³）を改善する。
• BAOの進化に関しては、ngVLAの感度が約10σと予測され、源密度が低いにもかかわらず、Gaiaを上回る性能を示す。