[論文レビュー] Gravitational-Wave Lensing Fringes by Compact Dark Matter at LIGO

Sunghoon Jung, Chang Sub Shin|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、10–10⁵ M☉ の質量範囲にあるコンパクトな暗黒物質による重力波のレンズ効果を、周波数チーピング効果を通じて LIGO が検出可能であると提唱している。これにより、1年間で最大1,000件のレンズ効果を受ける重力波イベントを検出可能となり、Advanced LIGO の感度を用いて、コンパクトなDMの割合 f_DM ≳ 10⁻³ を制約可能となる。

ABSTRACT

Utilizing gravitational-wave (GW) lensing opens a new way to understand the history and structure of the universe. In spite of coarse angular resolution and short duration of observation, we show that LIGO can detect the GW lensing induced by small structures, in particular by compact dark matter (DM) of $10 - 10^5 M_{ m sun}$, which remains an interesting DM candidate. The lensing is detected through GW frequency chirping, creating the natural and rapid change of lensing patterns: frequency-dependent amplification and modulation of waveforms. As a highest-frequency GW detector, LIGO is a unique GW lab to probe such light compact DM. With design sensitivity of Advanced LIGO, one-year observation can detect as many as 1000 lensed GWs and constrain compact DM fraction as small as $f_{ m DM} \gtrsim 10^{-3}$.

研究の動機と目的

• コンパクトな暗黒物質構造が引き起こす重力波のレンズ効果を LIGO を用いて検出可能なかを検討すること。
• 重力波信号におけるレンズ効果を検出するにあたり、粗い角分解能と短い観測期間という課題に対処すること。
• 周波数依存の増幅と変調が、軽量のコンパクトなDMによるレンズ効果の検出可能なシグナルとして機能することを示すこと。
• 特に10–10⁵ M☉ の質量範囲において、Advanced LIGO がコンパクトな暗黒物質に対してどの程度感度を持つのかを定量化すること。

提案手法

• レンズ効果によって引き起こされる、周波数依存の急激な変化を検出可能な、LIGO の高周波数感度を活用すること。
• コンパクトな暗黒物質ハローによる重力レンズ効果を、重力波信号の時間変化する増幅と位相変調としてモデル化すること。
• 重力波信号の周波数チーピングを用いることで、短い観測期間であってもレンズ効果のパターンを自然に符号化できることを示すこと。
• 1年間の観測期間における検出可能なレンズ効果を受ける重力波イベントの数を推定するための統計的分析を適用すること。
• Advanced LIGO の予想される検出率と感度限界に基づき、コンパクトなDMの割合 f_DM に対する制約を導出すること。
• 波形の変調と増幅を観測可能なシグナルとして用い、コンパクトな暗黒物質の存在を推定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LIGO は、角分解能が粗く、観測期間が短いにもかかわらず、10–10⁵ M☉ の質量範囲にあるコンパクトな暗黒物質による重力波のレンズ効果を検出可能か？
• RQ2 重力波波形における周波数依存の増幅と変調は、どのようにコンパクトな暗黒物質によるレンズ効果の検出可能なシグナルとして機能するか？
• RQ3 Advanced LIGO が1年間の観測期間で検出可能なレンズ効果を受ける重力波イベントの予想数はどのくらいか？
• RQ4 LIGO はレンズ効果のシグナルを用いて、宇宙におけるコンパクトな暗黒物質の割合 f_DM をどの程度まで制約可能か？

主な発見

• LIGO は、10–10⁵ M☉ の質量範囲にあるコンパクトな暗黒物質による重力波のレンズ効果を、周波数チーピング効果を通じて検出可能である。
• Advanced LIGO の感度を用いた1年間の観測で、最大1,000件のレンズ効果を受ける重力波イベントを検出可能となる。
• 本手法により、コンパクトなDMの割合 f_DM を f_DM ≳ 10⁻³ の程度まで制約可能となる。
• 周波数依存の増幅と変調は、重力波の波形において自然かつ迅速なレンズ効果のシグナルを提供し、LIGO のような高周波数検出器に適している。
• LIGO が有する特異な高周波数応答性のおかげで、軽量のコンパクトな暗黒物質候補を探査する強力なツールとなる。
• レンズ効果は、一時的で周波数依存の歪みとして重力波波形に現れ、短時間信号であっても検出可能となる。