[論文レビュー] Geostationary Antenna for Disturbance-Free Laser Interferometry (GADFLI)

Sean T. McWilliams|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2011

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 12

ひとこと要約

GADFLIは、73,000 kmの腕長を有するレーザー干渉計を用いた、地球静止軌道に3つの衛星を配置する重力波検出用星座を提案する。LISAと比較して、レーザー出力（0.7 W）、小型望遠鏡（15 cm）、および打ち上げ質量が低減されている。質量の大きなブラックホール合体および極端に質量比の高い連星の検出において、競争力のある感度を実現しており、年間速度ドリフトが45 m/sと低いため、2年間のミッション期間でステーションキーピングを不要とし、コスト削減と運用の簡素化を可能にする。

ABSTRACT

We present a mission concept, the Geostationary Antenna for Disturbance-Free Laser Interferometry (GADFLI), for a space-based gravitational-wave interferometer consisting of three satellites in geostationary orbit around the Earth. Compared to the nominal design of the Laser Interferometer Space Antenna (LISA), this concept has the advantages of significantly decreased requirements on the telescope size and laser power, decreased launch mass, substantially improved shot noise resulting from the shorter 73000 km armlengths, simplified and less expensive communications, and an overall lower cost which we (roughly) estimate at $1.2B. GADFLI preserves much of the science of LISA, particularly the observation of massive black-hole binary coalescences, although the SNR is diminished for all masses in the potential designs we consider.

研究の動機と目的

• 地球静止衛星を用いた、低コストで外部干渉のない宇宙用重力波検出のためのレーザー干渉計の開発。
• LISAやOMEGAと比較して、望遠鏡サイズ、レーザー出力、打ち上げ質量の技術的要件を低減すること。
• 年間ドリフトが45 m/sであるにもかかわらず、50 MHzの位相計測レートを用いることで、2年間のミッション期間中にステーションキーピングを不要とし、運用を簡素化すること。
• 黄道面に対して23°の軌道傾きを採用することで、直接の太陽放射を避けることにより、熱安定性を向上させること。
• 証明質量の加速度ノイズと低周波数重力波への感度のトレードオフを評価すること。

提案手法

• 約35,800 kmの高度に地球静止軌道に3つの同一衛星を配置し、73,000 kmの腕長を有する正三角形を形成する。
• 2つの衛星に対して120°の位相変更 maneuver を実施することで、最小限の打ち上げおよび推進コストで必要な星座幾何学的配置を達成する。
• ドリフトに起因するドップラー周波数変化を25 MHz/年未満に保つために、50 MHzの位相計測レートを採用し、ステーションキーピングを不要とする安定運用を実現する。
• 地球静止軌道の23°の軌道傾きを活用し、太陽光の直接照射を回避することで、熱安定性を向上させ、光学フィルタの必要性を低減する。
• LISAおよびNGOで用いられる同一の感度モデル（白色矮星連星の混在ノイズを含む）を適用し、周波数帯域にわたるGADFLIの歪み感度を比較評価する。
• 年間ドリフト45 m/sであっても、2年間のミッション期間を設定することで、ステーションキーピングのコストと複雑さを回避する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 73,000 kmの腕長を有する地球静止星座が、質量の大きなブラックホール連星合体および極端に質量比の高い連星の検出に十分な感度を達成できるか。
• RQ2 GADFLIにおける腕長の短縮と低レーザー出力が、LISAやNGOと比較して感度に与える影響はどの程度か。
• RQ3 地球静止軌道における年間速度ドリフト45 m/sが、2年間のミッション期間においてステーションキーピングなしで管理可能か。
• RQ4 地球静止軌道の23°の軌道傾きが、太陽系軌道や地球-月平面軌道と比較して、熱安定性と光学系の複雑さをどの程度改善するか。
• RQ5 LISAのDRS仕様と比較して、GADFLIにおける証明質量の加速度ノイズが、低周波数重力波検出に与える影響は何か。

主な発見

• GADFLIは、年間ドリフト45 m/sによるドップラー周波数変化が1年間に25 MHz未満に留まるため、50 MHzの位相計測レートで十分に追跡可能であり、2年間のミッション期間中にステーションキーピングを不要とする。
• 73,000 kmの腕長を有することで、レーザー出力を0.7 Wにまで低減でき、望遠鏡サイズも15 cmにまで縮小され、LISAと比較して質量とコストが顕著に低減される。
• GADFLIの質量の大きなブラックホール連星合体への感度は、NGO仕様と同等またはそれ以上であり、大質量種子合体カタログの720件の源に対してSNRが10を超える。
• 23°の軌道傾きにより、太陽光の直接照射を回避することで、熱安定性が向上し、OMEGAのようなミッションが要請する高度な光学フィルタの必要性が排除される。
• 最も楽観的な状況下で、GADFLIの残余変位ノイズは白色矮星連星の銀河的前景と同等にまで低下し、さらなる改善はほとんど意味を持たない。
• 最終的なコスト見積もりは12億ドルであり、打ち上げ質量の低減、推進力の削減、2年間のミッション期間の設定により、SGOの高価な見積もりと比較して、打ち上げコストで3億ドル、人件費で2億ドルの削減が達成された。