[論文レビュー] Gravitational Radiation -- A New Window Onto the Universe

Kip S. Thorne|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 1997

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 29

ひとこと要約

本論文は、重力波検出を、宇宙に対する画期的な新しい観測窓として提唱している。地上型（LIGO/VIRGO）および宇宙空間型（LISA）の干渉計を用いて、高周波数および低周波数の重力波を観測することを強調している。これらの装置が、ブラックホールや中性子星といった高密度天体からの時空の揺らぎを検出する方法を詳述しており、主な貢献は2000年代初頭に初検出が予測された点にあり、一般相対性理論の検証や、奇妙な天体物理学的現象の発見に新たな道を開いた。

ABSTRACT

A summary is given of the current status and plans for gravitational-wave searches at all plausible wavelengths, from the size of the observable universe to a few kilometers. The anticipated scientific payoff from these searches is described, including expectations for detailed studies of black holes and neutron stars, high-accuracy tests of general relativity, and hopes for the discovery of exotic new kinds of objects.

研究の動機と目的

• 重力波天文学を電磁波天文学と補完的な根本的に新しい観測窓として提唱すること。
• 極めて低周波数から高周波数までの4つの周波数帯域で重力波を検出する科学的潜在的可能性を概説すること。
• 地上型（LIGO/VIRGO）および宇宙空間型（LISA）の干渉計検出器を構築する技術的および科学的根拠を詳細に提示すること。
• 装置の感度予測に基づき、初の重力波検出が2001年ごろに実現すると予測すること。
• ブラックホールの力学的挙動、中性子星の合体、電磁波では観測できないような奇妙な天体の探査可能性を強調すること。

提案手法

• 一般相対性理論を用いて、重力波を時空の振動として記述し、2つの横方向の偏光状態（'+'および'×'）を持つものとし、それぞれが四極子型の潮汐力場を生成することを示す。
• 地上型検出器（LIGO/VIRGO）でレーザー干渉計を用い、通過する重力波によって生じるアーム長の微小な変化（ΔL/L ~ 10⁻²¹）を測定する。
• 宇宙空間型干渉計（LISA）では、3台の宇宙船が三角形を形成してレーザー干渉計を構成し、巨大ブラックホール二重星からの低周波数重力波を検出する。
• ミリ秒パulsarのタイミングアレイを用いて、10⁻⁹〜10⁻⁷ Hzの非常に低周波数の重力波を、初期宇宙の宇宙的源から探査する。
• 合体するコンパクト天体二重系（ブラックホール、中性子星）の波形を解析し、質量、スピン、距離といった天体物理学的パラメータを抽出する。
• 超新星や合体するコンパクト天体のような極端な天体物理学的系における、質量・エネルギーの秩序ある大規模な運動から重力波が生成される理論的モデルを適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのような天体的源が、異なる周波数帯域で検出可能な重力波を放出すると予想されるか？
• RQ2 重力波と電磁波とは、伝播特性、源の性質、情報内容において、根本的にどのように異なるか？
• RQ3 地上型（LIGO/VIRGO）および宇宙空間型（LISA）の干渉計が、コンパクト天体二重系の合体を観測する際に期待される感度と検出能力は何か？
• RQ4 重力波観測は、強い重力場領域における一般相対性理論の高精度な検証を可能にするか？
• RQ5 ブラックホール、中性子星、あるいは電磁波では観測できないような奇妙な天体のような、新たな天体物理学的現象は、重力波検出によって明らかにされる可能性があるか？

主な発見

• 重力波は、電磁波が像を形成するのとは異なり、立体的で波形に基づく情報として源を記述する。重力波は、物質の温度的状態ではなく、質量・エネルギーの全体的運動を明らかにする。
• 本論文は、地上型干渉計（LIGOおよびVIRGO）が、2001年ごろまでに、星質量ブラックホールおよび中性子星の合体に起因する重力波に十分な感度を達成すると予測している。
• 宇宙空間型干渉計LISAは、遠方の銀河に存在する巨大ブラックホール二重星（1000〜10⁸太陽質量）からの低周波数重力波を検出すると予想されている。
• ミリ秒パulsarのタイミングアレイは、初期宇宙における宇宙的プロセス（例えば宇宙ひもや相転移）から生じる非常に低周波数の重力波を検出可能である。
• 重力波の検出は、ブラックホールや中性子星の直接的証明を提供する可能性があり、また、裸の特異点やボソン星といった新しい物理現象の解明にもつながる可能性がある。
• 予想される科学的成果には、強い重力場における一般相対性理論の前例のない検証、コンパクト天体の力学的挙動の詳細な研究、これまでに観測されていなかった天体物理学的現象の発見が含まれる。