[論文レビュー] Ground-Based Gravitational-Wave Astronomy in Australia: 2019 White Paper

M. Bailes, D. E. McClelland+19 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

2019年の白書は、第三世代の観測所（例：Cosmic Explorer）に不可欠な技術を開発するための重力波パスファイダーの資金援助を通じて、オーストラリアが次世代重力波天文学をリードすべきであると提言している。また、A+および3G時代のデータを処理するための国家的Tier-2データセンターを維持することも提唱している。このイニシャチブにより、赤方偏移z=12までのニュートン星合体やz=37までのブラックホール合体の検出が可能となり、高密度物質、宇宙の進化、極限重力に関する新たな知見が得られる。

ABSTRACT

The past four years have seen a scientific revolution through the birth of a new field: gravitational-wave astronomy. The first detection of gravitational waves---recognised by the 2017 Nobel Prize in Physics---provided unprecedented tests of general relativity while unveiling a previously unknown class of massive black holes, thirty times more massive than the Sun. The subsequent detection of gravitational waves from a merging binary neutron star confirmed the hypothesised connection between binary neutron stars and short gamma-ray bursts while providing an independent measurement of the expansion of the Universe. The discovery enabled precision measurement of the speed of gravity while shedding light on the origin of heavy elements. At the time of writing, the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) and its European partner, Virgo, have published the detection of eleven gravitational-wave events. New, not-yet-published detections are announced on a nearly weekly basis. This fast-growing catalogue of gravitational-wave transients is expected to yield insights into a number of topics, from the equation of state of matter at supra-nuclear densities to the fate of massive stars. The science potential of 3G observatories is enormous, enabling measurements of gravitational waves from the edge of the Universe and precise determination of the neutron star equation of state. Australia is well-positioned to help develop the required technology. The Mid-term Review for the Decadal plan for Australian astronomy 2016-2025 should consider investment in a scoping study for an Australian Gravitational-Wave Pathfinder that develops and validates core technologies required for the global 3G detector network.

研究の動機と目的

• 重力波天文学の分野が第3世代の観測所に移行する中で、オーストラリアがその分野でリーダーシップを維持する必要性に対応すること。
• Cosmic Explorerのような3G検出器の開発における技術的・財政的リスクを低減するため、国家的パスファイダ施設を通じて技術を前もって発展させること。
• A+および将来の3G検出器から生じる指数関数的に増加するデータ量を処理・分析できるように、専用のTier-2データセンターを通じてオーストラリアが対応できることを保証すること。
• SKAやLISAのような電波および電磁波望遠鏡と連携することで、マルチメッセンジャーアストロノミーを実現すること。
• 技術開発とインフラ整備の準備を整えることで、Cosmic Explorerネットワークにおける主要な国際的パートナーとしてオーストラリアを位置づけること。

提案手法

• Cosmic Explorerのような3G検出器のコア技術を検証するためのオーストラリア重力波パスファイダー（段階0）のスコープ調査を提言すること。
• 40kmスケールの干渉計を可能にするために、低ノイズ支持構造、高出力レーザー、量子ノイズ低減システムなどの先進技術を開発・試験すること。
• 国際的なデータネットワークに統合され、A+および3Gデータの解析を支援する、国家的重力波データセンター（Tier-2施設）を設立すること。
• 既存のARC LIEF資金と国際協力を活用し、A+および将来の3G観測所の部品を共同開発すること。
• パスファイダ施設を活用して、OzHFおよびCosmic Explorer Southの正確な費用見積もりと技術的ロードマップを策定し、10%の予備費を含むこと。
• 他の天文データセンターと連携することで、全国の研究基盤全体における効率性の向上と専門知識の共有を最大化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オーストラリアは、Cosmic Explorerのような第3世代重力波検出器に不可欠なコア技術をどのように開発・検証できるか？
• RQ2 3G観測所の建設リスクを低減するための最適な設計と費用構造を持つ国家的重力波パスファイダーを、どのように構築できるか？
• RQ3 A+では10倍、3Gでは1000倍に増加する検出率に対応するため、オーストラリアはデータ解析を通じて持続的なリーダーシップを発揮できるか？
• RQ4 高赤方偏移で検出された重力波イベントに対して、早期の電磁気的フォローアップを可能にすることで、オーストラリアはマルチメッセンジャーアストロノミーにおいて果たせる役割は何か？
• RQ5 3G観測所からのデータ量を処理しつつ、高いパフォーマンスと国際的な相互運用性を維持するには、国家データセンターをどのようにスケーリングできるか？

主な発見

• オーストラリア重力波パスファイダーの費用は2025年までに500万豪ドル（AUD）程度と推定され、OzHFおよびCosmic Explorer Southの費用見積もり（10%の予備費を含む）を生み出す。
• 重力波データセンターの費用は2025年までに440万豪ドル（AUD）が必要であり、現在の水準を維持するための資金を確保し、約9フルタイム換算（FTE）の人員と5年ごとのハードウェア更新を支援する。
• Cosmic Explorer Southは、宇宙が4億年しか経っていない時期（赤方偏移z=12）にまで、ニュートン星合体を検出可能であり、z=11.09の最も遠くに発見された銀河をも上回る。
• Cosmic Explorerは、GW150914のような二重ブラックホール合体を、星質量ブラックホールが形成される予想よりもはるかに前（赤方偏移z=37）まで検出可能である。
• A+観測所は、Advanced LIGOよりも3倍遠くまで二重ニュートン星合体を検出可能となり、検出率は約30倍に増加し、合体の10分前までにアラートを発出可能となる。
• 第3世代の観測所は、Advanced LIGOに比べて信号対雑音比を数千倍も向上させ、一般相対性理論の精密な検証や極限重力における新物理の探索が可能となる。