[論文レビュー] Gravitational wave astronomy with the SKA

G. H. Janssen, G. Hobbs+13 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2014

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 1被引用数 23

ひとこと要約

本論文は、スケールキロメートルアレイ（SKA）が、超大質量ブラックホール二重星や定常的重力波背景を検出できる高精度なパルサー時系列アレイ（PTA）を可能にすることで、低周波数重力波（GW）天文学を画期的に変革すると提案している。SKA1およびSKA2を用いることで、未曾有の感度が達成され、GW信号の検出、その源の特徴化、重力理論および宇宙論的モデルの検証が可能になる。

ABSTRACT

On a time scale of years to decades, gravitational wave (GW) astronomy will become a reality. Low frequency (nanoHz) GWs are detectable through long-term timing observations of the most stable pulsars. Radio observatories worldwide are currently carrying out observing programmes to detect GWs, with data sets being shared through the International Pulsar Timing Array project. One of the most likely sources of low frequency GWs are supermassive black hole binaries (SMBHBs), detectable as a background due to a large number of binaries, or as continuous or burst emission from individual sources. No GW signal has yet been detected, but stringent constraints are already being placed on galaxy evolution models. The SKA will bring this research to fruition. In this chapter, we describe how timing observations using SKA1 will contribute to detecting GWs, or can confirm a detection if a first signal already has been identified when SKA1 commences observations. We describe how SKA observations will identify the source(s) of a GW signal, search for anisotropies in the background, improve models of galaxy evolution, test theories of gravity, and characterise the early inspiral phase of a SMBHB system. We describe the impact of the large number of millisecond pulsars to be discovered by the SKA; and the observing cadence, observation durations, and instrumentation required to reach the necessary sensitivity. We describe the noise processes that will influence the achievable precision with the SKA. We assume a long-term timing programme using the SKA1-MID array and consider the implications of modifications to the current design. We describe the possible benefits from observations using SKA1-LOW. Finally, we describe GW detection prospects with SKA1 and SKA2, and end with a description of the expectations of GW astronomy.

研究の動機と目的

• SKAの向上した感度と広視野時系列測定能力を活用し、低周波数重力波の初回直接検出を実現すること。
• 超大質量ブラックホール二重星や宇宙ひもから発生する定常的重力波背景を特徴化すること。
• 高精度なパルサー時系列残差を用いて一般相対性理論および代替重力理論を検証すること。
• 大質量ブラックホールの合体歴史を制約することで、銀河進化モデルを改善すること。
• SKA2を用いた高精度なパルサー距離測定を実現し、GW源の干渉計像法による観測と非線形重力ダイナミクスのマッピングを可能にすること。

提案手法

• SKA1およびSKA2のアレイ全域でミリ秒パルサーの長期的・高頻度時系列観測を実施し、ナノ秒レベルの精度で時系列残差を測定する。
• ヘリングス＆ダウニング曲線の形式を適用して、複数のパルサー間で相関する時系列残差を検出し、定常的重力波背景の存在を示唆する。
• SKAの大きな受光面積と広帯域を活用して、微弱なGW源のノイズを低減し、信号対雑音比を向上させる。
• SKA2の時系列 parallax を用いたパルサー距離測定により、1光年未塔の精度を達成し、GW干渉計のコherentビームフォーミングとアングストラム解像度を実現する。
• EPTA、NANOGrav、PPTAなどの複数PTAのデータとSKA観測データを統合し、感度を向上させ、検出の妥当性を検証する。
• GWによる時間遅延応答を分析することで、ポストニュートン近似効果および波形の進化をモデル化し、二重系の質量およびスピンを測定可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SKAは、超大質量ブラックホール二重星から発生する定常的重力波背景を、装置ノイズおよび天体的ノイズから区別できる十分な感度で検出可能か？
• RQ2 SKA2による改善されたパルサー距離測定は、GW源のコherentイメージングを可能にし、角分解能をどのように向上させるか？
• RQ3 パルサー時系列アレイを用いたSKAは、宇宙ひもやスーパーひもが発する重力波放射を介して、それらの性質をどの程度まで制約できるか？
• RQ4 SKAベースのPTAは、既存PTAが得た以前のGW検出を独立して確認または否定できるか。また、連続的GW源の特徴化において果たす役割は何か？
• RQ5 GW誘発時系列残差の検出は、強力場領域における一般相対性理論および代替重力理論の検証をどの程度向上させるか？

主な発見

• SKAの大きな受光面積と広帯域により、パルサー時系列の精度が著しく向上し、ナノヘルツ帯域の重力波検出が可能になる。
• SKA1は、超大質量ブラックホール二重星からの定常的重力波背景を十分な感度で検出可能であり、10年以内に検出が可能と予想される。
• SKA2が達成するパルサー距離の1光年未塔の精度により、GW信号のコherentビームフォーミングが可能となり、GW源のアングストラム解像度の干渉計像法が実現される。
• SKAは、単一の二重系からの時間遅延応答を解明することで、1.5次までのポストニュートンパラメータを測定可能になる。
• SKA PTAは、背景のスペクトル的および空間的特徴を分析することで、宇宙ひもや原始ブラックホール集団といった異なる宇宙論的GW源を区別可能になる。
• 直接GW検出が行われる前でも、SKA PTAのデータは重力の検証、銀河間物質の影響の研究、および改善されたパルサー時系列モデルの構築といった重要な科学的成果をもたらす。