[論文レビュー] Gravitational Wave Physics and Astronomy in the nascent era

M. Arimoto, Hideki Asada+51 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、LIGO/Virgoによる二重ブラックホールおよび二重中性子星の検出に続く重力波（GW）物理学および天文学の基盤的発見と今後の展望をレビューする。二重ブラックホール系および核崩壊型超新星からのGW放射の理論的枠組みを提示し、GW観測が核物質の性質、重元素の合成、短時間ガンマ線バーストの起源をどのように探るかを示し、非検出事例がストキャスティックGW背景を通じて原始ブラックホールの存在割合を制限することを示している。

ABSTRACT

The detections of gravitational waves (GW) by LIGO/Virgo collaborations provide various possibilities to physics and astronomy. We are quite sure that GW observations will develop a lot both in precision and in number owing to the continuous works for the improvement of detectors, including the expectation to the newly joined detector, KAGRA, and the planned detector, LIGO-India. In this occasion, we review the fundamental outcomes and prospects of gravitational wave physics and astronomy. We survey the development focusing on representative sources of gravitational waves: binary black holes, binary neutron stars, and supernovae. We also summarize the role of gravitational wave observations as a probe of new physics.

研究の動機と目的

• 最初の直接検出に続く重力波物理学および天文学の現状と今後の展望を要約すること。
• 二重ブラックホール、二重中性子星、核崩壊型超新星からのGW信号の理論的および観測的意味を検討すること。
• 原始ブラックホールの存在割合に対する制限を、誘導されるストキャスティック重力波背景を通じて得るという、GW観測が新物理の探査にどのように寄与するかを検討すること。
• マルチメッセンジャ天文学がGWイベントの源の局所化と物理的解釈をどのように向上させるかを強調すること。
• GW天文学の潜在能力を最大限に引き出すために、データ解析および理論的モデルの改善の必要性を強調すること。

提案手法

• 二重中性子星合体からの波形をモデル化し、潮汐変形率パラメータを抽出するために数値相対性理論シミュレーションを用いる。
• 核崩壊型超新星の理論的モデルを適用し、円偏光および急速回転する前身星からのGWシグナルを予測する。
• 二重ブラックホール合体および原始的曲率摂動から生じるエネルギー密度スペクトルを導出するために、ストキャスティック重力波背景（SGWB）形式を用いる。
• 転送関数形式およびRef. Wang:2019kafからの宇宙論的パラメータを用いて、誘導されるSGWBの次元なしエネルギー密度スペクトルを導出する。
• GWデータと宇宙論的赤方偏移およびハッブルパラメータの時間発展を組み合わせ、赤方偏移にわたる統合GWエネルギー流束を計算する。
• GW信号の非検出事例を用いて、合体する二重ブラックホールおよび曲率摂動によって誘導されるSGWBから、原始ブラックホール（PBH）の存在割合に対する上限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重ブラックホールからの重力波信号は、孤立系における形成メカニズムと凝集星団内での形成メカニズムをどのように区別するか？
• RQ2 二重中性子星合体のGW観測を用いて、中性子星の潮汐的性質にどのような制限を課せられるか？
• RQ3 核崩壊型超新星のGW観測は、非対称爆発ダイナミクスおよびニュートリノ放出に関するどのような情報を明らかにするか？
• RQ4 ストキャスティックGW背景の非検出事例が、宇宙における原始ブラックホールの存在割合をどの程度まで制限できるか？
• RQ5 ガンマ線、光学、ニュートリノなどのマルチメッセンジャ追従観測は、重力波イベントの解釈をどの程度向上できるか？

主な発見

• LIGO/Virgoによる質量の大きな二重ブラックホールの検出は、20太陽質量を超える星間質量ブラックホールの存在を確認し、星の進化に関する従来の仮定に挑戦する。
• GW170817のような二重中性子星合体は、短時間ガンマ線バーストが中性子星の合体と関連することを直接的証明し、重元素の核合成の主要な場としてrプロセスを確認する。
• GW170817からの潮汐変形率測定は、中性子星物質の状態方程式を制限し、半径が約10–15 kmのやや柔らかい状態方程式を支持する。
• 合体する二重ブラックホールおよび曲率摂動から誘導されるSGWBからのGW信号の非検出は、原始ブラックホールの存在割合に対する上限を導き、10−15–10−10 M⊙の質量範囲では顕著なPBH寄与を除外する。
• 今後の第三世代地上望遠鏡（例：CE, ET）では、イベント率が1000倍以上に増加し、GW源の統計的精度の高い解析が可能になると予想される。
• 原始的曲率摂動から生じる誘導されるストキャスティック重力波背景は、転送関数および宇宙論的パラメータに依存する特徴的なエネルギースペクトルを示し、PBHの質量と存在割合に応じて10−15–10−10 Hz帯に検出可能な特徴が現れる可能性がある。