[論文レビュー] Gravitational wave astronomy with LIGO and similar detectors in the next decade

The LIGO Scientific Collaboration|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2019

Geophysics and Gravity Measurements被引用数 23

ひとこと要約

この論文は、地上の検出器（Advanced LIGO、Virgo、KAGRA、LIGO-India）の感度向上を活用して、今後10年間における重力波天文学の計画を概説している。これにより、二重ブラックホールや中性子星の合体を検出可能となる。観測は一般相対性理論の検証、極端な条件下の中性子星物質の探査、標準サインレンズを用いたハッブル定数の測定、および連携されたアラートとデータ共有を通じたマルチメッセンジャーアストロノミーの発展を可能にする。

ABSTRACT

We describe the plans for gravitational-wave observations and astrophysics that will be carried out by the LIGO Scientific Collaboration (LSC) in the next decade using data from the LIGO Observatories in the US, and sister facilities abroad in Europe, Japan and India. We provide an overview of gravitational wave signal types that we are targeting, and the role of gravitational waves in time-domain multi-messenger astronomy. We briefly summarize what we can infer from the properties of detected signals, including astrophysical event rates and populations, tests of gravitational-wave properties, highly-dynamical and strong-field tests of General Relativity, probing matter under extreme conditions in neutron stars, and making cosmological measurements with gravitational-wave sources.

研究の動機と目的

• 検出器の感度向上と地上観測所のグローバルネットワーク拡大により、重力波天文学を前進させること。
• 低遅延信号処理とデータ共有の強化により、マルチメッセンジャーアストロノミーのためのリアルタイムアラートを可能にすること。
• 二重中性子星合体波形の詳細な解析を通じて、中性子星の状態方程式を制約すること。
• コンパクト二重星合体からの波形を用いて、強力場・動的状態における一般相対性理論の高精度な検証を行うこと。
• 重力波標準サインレンズを用いて、波形からの距離と電磁的対応物からの赤方偏移を組み合わせることでハッブル定数を測定すること。

提案手法

• Advanced LIGO (A+) の計画された感度向上と、インドおよび日本の将来的な検出器を活用し、天体的範囲を数倍に拡大すること。
• LIGO、Virgo、KAGRA、GEO600間での協働観測運用を実施し、天の川の位置特定精度とイベント検出率を向上させること。
• 低遅延データ解析パイプラインを適用し、重力波トリガー後数分以内に公開アラートを発出することで、迅速な電磁気的追従観測を可能にすること。
• 校正済みの重力波データを用いて、アインシュタインの場の方程式に基づく波形モデルとベイズ推論により、源のパラメータを抽出すること。
• 複数の信号における一般相対性理論からのずれを検出するため、集団レベルの解析を実施し、合体およびリングダウン段階を含む。
• 重力波データと電磁観測（例：キロノーバ、ガンマ線バースト）および銀河カタログを組み合わせることで、距離と赤方偏移を測定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Advanced LIGOおよびA+検出器の計画された感度向上は、二重ブラックホールおよび中性子星合体の検出率をどの程度向上させるか？
• RQ2 重力波観測は、合体後の波形解析を通じてどの程度中性子星の状態方程式を制約できるか？
• RQ3 コンパクト二重星合体の強力場・動的状態において、波形モデルを用いて一般相対性理論からのずれを検出可能か？
• RQ4 電磁的対応物が有る・ない場合に、重力波標準サインレンズを用いてハッブル定数をどの程度の精度で測定できるか？
• RQ5 グローバル検出器ネットワークは、一時的重力波イベントのリアルタイム・マルチメッセンジャーフォローアップをどのように実現するか？

主な発見

• A+検出器のアップグレードにより、二重中性子星合体の検出範囲は約1000 Mpcまで拡大され、観測する空間体積が数倍に増加すると予想される。
• 感度向上とグローバルネットワークの整備により、今後10年間で恒星質量の二重ブラックホール合体の検出率は100倍に増加すると予測される。
• LIGO-IndiaおよびKAGRAの導入により、天の川の位置特定精度が向上し、特に電磁的対応物を持つイベントのより正確なマルチメッセンジャーフォローアップが可能になる。
• 二重中性子星合体の重力波観測により、標準サインレンズ法を用いてハッブル定数を直接測定可能であり、数百件のイベントを用いることで1–2%の精度に達する可能性がある。
• 連続的重力波と合体後の信号は、中性子星の構造、磁場、および冷たい高密度物質の性質に関する知見を提供する。
• 重力波信号の集団的解析により、一般相対性理論の強力場領域における検証が可能となり、余剰極化の探索やポストニュートン係数のずれの検出が可能になる。