[論文レビュー] Gravitational Waves, Extreme Astrophysics, and Fundamental Physics with Precision Pulsar Timing

J. M. Cordes, M. A. McLaughlin|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 50被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ミリ秒パulsarを宇宙の時計として用い、超大質量ブラックホール連星から発するナノヘルツ重力波を検出するとともに、基礎物理学を検証する手法を提案している。数十年にわたり116ナノ秒未塔のタイミング残差を達成することで、重力波の検出およびダークマター、光子質量、宇宙ひもに関する制約の可能性を示している。

ABSTRACT

Precision pulsar timing at the level of tens to hundreds of nanoseconds allows detection of nanohertz gravitational waves (GWs) from supermassive binary black holes (SMBBHs) at the cores of merging galaxies and, potentially, from exotic sources such as cosmic strings. The same timing data used for GW astronomy also yield precision masses of neutron stars orbiting other compact objects, constraints on the equation of state of nuclear matter, and precision tests of General Relativity, the Strong Equivalence Principle, and alternative theories of gravity. Timing can also lead to stringent constraints on the photon mass and on changes in fundamental constants and could reveal low mass objects (rogue planets, dark matter clumps) that traverse pulsar lines of sight. Data sets also allow modeling of the density, magnetic field, and turbulence in the interstellar plasma. Roughly 100 millisecond pulsars (MSPs) are currently being timed at $\sim$GHz frequencies using the largest radio telescopes in the world. These data sets currently represent ~1000 pulsar-years and will increase dramatically over the next decade. These topics are presented as a program of key science with flowdown technical requirements for achieving the science.

研究の動機と目的

• 長期間にわたるパルサー時刻配列を用いて、超大質量ブラックホール連星から発するナノヘルツ帯の重力波を検出すること。
• 相対論的連星パルサーの高精度な時刻測定を通じて、一般相対性理論および代替重力理論を検証すること。
• タイミング残差を用いて、光子質量、基本定数の変動、および低質量ダークマタークラスタの存在を制約すること。
• データ期間の延長、電波望遠鏡の集光面積の増大、観測頻度の向上により、重力波背景への感度を向上させること。
• 少なくとも200個の高精度に時刻測定されたミリ秒パルサーを拡大することで、均一な全天カバレッジと高い感度を実現すること。

提案手法

• 大型電波望遠鏡（例：アレシボ、グリーン・バンク）を用い、GHz帯周波数でミリ秒パルサーの長基線時刻測定を実施し、100ナノ秒未塔のタイミング残差を達成する。
• パルサーの回転、位置、固有運動、パララックス、連星運動、および惑星間分散遅延を含む包括的な時刻モデルを構築する。
• パルサー対間のタイミング残差の角度相関解析を適用し、一般相対性理論が予測する確率的重力波背景を検出する。
• 天体的効果（例：スピンジッター、色分散性の惑星間遅延）を重力波信号から分離するため、高度なノイズモデリングを実装する。
• より高い動的範囲のADCや、より良い偏光補正を含む機器の向上と、RFI低減およびISM遅延補正のためのアルゴリズム的進歩により、TOA精度を向上させる。
• 改善された太陽系エフェメリスとVLBIを用いた距離測定を統合し、バリセントリック基準フレームの誤差を低減し、重力波検出感度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在および将来のデータ期間を用いたパルサー時刻配列により、超大質量ブラックホール合体に起因するナノヘルツ帯の重力波背景を検出可能か？
• RQ2 ミリ秒パルサーのタイミング残差は、光子質量および基本定数の変動をどのように制約するか？
• RQ3 パルス到着時刻における一時的摂動を通じて、パルサー時刻配列は低質量ダークマタークラスターや宇宙ひもをどの程度検出可能か？
• RQ4 確率的重力波背景への全天感度を達成するには、電波望遠鏡の集光面積、観測頻度、およびパルサー数をどの程度向上させる必要があるか？
• RQ5 長期間のデータセットは、太陽系エフェメリスの誤差を重力波信号から分離し、確率的背景の検出感度をどのように向上させるか？

主な発見

• ミリ秒パルサー J1713+0747 は10年間にわたり116ナノ秒のRMSタイミング残差を達成し、重力波検出に極めて優れた安定性を示した。
• 現在の機器を用いても、数十年にわたり100ナノ秒未塔のタイミング残差を達成可能であり、周波数約10⁻⁹ Hzで10⁻¹⁵の重力波歪みの検出が可能である。
• パルサー時刻配列の重力波への感度は観測時間の平方根に比例し、パルサー数に比例して上昇するが、天の川カバレッジのギャップにより感度が最大7倍まで低下する可能性がある。
• 20年以上の長期間データセットでは、太陽系エフェメリスの誤差が重力波信号から分離され、確率的背景の検出可能性が顕著に向上する。
• 電波望遠鏡の感度を2倍に向上させれば、現在時刻測定済みの大多数のパルサーのTOA精度が著しく向上し、追加の電波源の利用が可能になる。
• VLBIによる二重パルサー距離測定と、Gaiaの光学データを組み合わせることで、バリセントリック補正が向上し、将来的に銀河規模の重力波干渉計を実現可能にし、感度を√2倍に向上できる。