[論文レビュー] Gravitational Wave Astronomy Using Pulsars: Massive Black Hole Mergers & the Early Universe

Paul Demorest, Joseph Lazio+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2009

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 2

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、ミリ秒パulsarを正確な宇宙時の時計として用い、質量の大きなブラックホール合体や宇宙ひもから発生するナノヘルツ周波数の重力波を検出することを提案している。北米ナノヘルツ重力波観測所（NANOGrav）は、20〜40個のパルサーの高精度なタイミングを用いて、5年以内に直接検出を達成する国際的取り組みを主導しており、検出には月間約500 100-m相当の電波望遠鏡時間が必要となる。

ABSTRACT

Gravitational waves (GWs) are fluctuations in the fabric of spacetime predicted by Einstein's theory of general relativity. Using a collection of millisecond pulsars as high-precision clocks, the nanohertz band of this radiation is likely to be directly detected within the next decade. Nanohertz-frequency GWs are expected to be emitted by mergers of massive black hole binary systems, and potentially also by cosmic strings or superstrings formed in the early Universe. Direct detection of GWs will open a new window to the Universe, and provide astrophysical information inaccessible via electromagnetic observations. In this paper, we describe the potential sources of low-frequency GWs and the current status and key advances needed for the detection and exploitation of GWs through pulsar timing.

研究の動機と目的

• ミリ秒パルサーを正確なタイミング基準として用い、低周波数の重力波の直接検出を可能にすること。
• 質量の大きなブラックホール二重星の天体物理学的性質と、それが銀河の進化における役割を解明すること。
• 確率的重力波背景を特徴づけ、宇宙ひどいのような個々の源を特定すること。
• パルサータイミングアレイのための装置技術とデータ解析を発展させ、100ナノ秒のタイミング精度を達成すること。
• 国際的リソースを国際パルサーチャンリングアレイ（IPTA）を通じて調整し、最適な感度と天の川カバー範囲を実現すること。

提案手法

• ナノヘルツ周波数の重力波による時空の摂動を検出するために、安定で高精度な時計としてのミリ秒パルサーを用いる。
• 正確なパルス到着時刻を測定し、通過する重力波によって引き起こされる相関するタイミングずれを検出する。
• 100-mクラスの電波望遠鏡ネットワーク（例：アレシボ、GBT、パーキス）を用い、多周波数観測により対流電離層分散を補正する。
• 高度なデータ解析アルゴリズムを適用し、対流電離層の影響や電波干渉を低減し、微弱な重力波信号を抽出する。
• 質量の大きなブラックホール二重星からの確率的重力波背景をモデル化するため、特徴的な振幅スペクトル hc(f) ∝ f^α を用いる。
• アレン・テレビジョン・アレイ、EVLA、SKA などの既存および将来の施設を活用し、感度と観測時間を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量の大きなブラックホール二重星から発生する確率的重力波背景のエネルギー密度とスペクトル形状は何か？
• RQ2 質量の大きなブラックホール合体は、初期宇宙における銀河形成と進化にどのように寄与しているか？
• RQ3 質量の大きなブラックホール二重星からの個々の重力波信号は、解像可能で特徴づけられるか？
• RQ4 ナノヘルツ帯の重力波放射を通じて、宇宙ひもに関する証拠は存在するか？
• RQ5 低周波数タイミングアレイによって、未知の重力波源が新たに明らかにされるか？

主な発見

• 十分な観測リソースが確保されれば、5年以内に質量の大きなブラックホール二重星からの確率的重力波背景の検出が期待される。
• 100ナノ秒の精度で20個のパルサーをタイミングする場合、重力波検出には月間最低500 100-m相当の電波望遠鏡時間が必要となる。
• 背景の特徴的な振幅スペクトルは、hc(f) ∝ f^α のべき乗則的形を示すと予想され、質量の大きなブラックホール二重星では α ≈ 2/3 となる。
• 現在の国際的リソースでは、月間約300 100-m相当の時間しか得られておらず、検出に必要な500時間に満たない。
• 将来的な施設、例えばSKAやLEAPは、検出および源の特徴づけに必要な感度と観測時間を提供できるだろう。
• 国際パルサーチャンリングアレイ（IPTA）が構築され、大陸を越えたグローバルな電波望遠鏡時間、装置技術、データ解析の最適化が進められている。