[論文レビュー] How to identify the gravitational wave events from merging stellar mass black binaries like GW150914

Shuang‐Nan Zhang, Yuan Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 9被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、GW150914のような恒星質量ブラックホールの合体から発生する重力波（GW）イベントの同定を調査し、ブラックホールの成長ダイナミクスとパルサー計時を用いた検出可能性を分析している。結論として、GW150914に類似したイベントはパルサー計時では検出不可能であり、定常的ブラックホール成長モデルとも整合しないことが示され、イベント周辺の時空を調べるためには高感度GW検出器の必要性が強調されている。

ABSTRACT

Aims: We study how to identify the gravitational wave events from merging stellar mass black binaries like GW150914. Methods: We briefly investigate the possible growth and merging processes of the two stellar mass black holes in the merging event of GW150914 detected by aLIGO, as clocked by a distant external observer, as well as the prospect of detecting the GW150914-like events using pulsar timing. Results: Our main results are: (1) The description of the black hole growth using stationary metric of a pre-existing black hole is inconsistent with GW150914; (2) Only gravitational wave radiation can be produced in the coalescence of two black holes such as that in the GW150914 event; and (3) Pulsar timing can not detect the GW150914-like events. Conclusions: Future high sensitivity detections of gravitational waves from merging black holes might be used to probe matter distribution and space-time geometry in the vicinity of the horizon. Perhaps the GW150914-like events can be identified with traditional astronomy observations only if the black holes are embedded in extremely dense medium before their final merge, when very strong electromagnetic radiation is produced and can escape from the system.

研究の動機と目的

• 遠方の観測者から見たGW150914ブラックホール合体イベントを引き起こす物理的過程を理解すること。
• パルサー計時アレイがGW150914に類似した重力波イベントを検出可能かどうかを評価すること。
• このような系におけるブラックホール成長が定常計量によって記述可能かどうかを評価すること。
• 最終合体段階で予想される電磁気的および重力的シグネチャーを特定すること。
• GW150914に類似したイベントが従来の電磁気的天文学によって同定可能となる条件を調査すること。

提案手法

• 事前に存在するブラックホールの定常計量を用いて、GW150914系におけるブラックホール成長をモデル化すること。
• 遠方の外部観測者から見た二重系の時間的変化を分析すること。
• 二つの恒星質量ブラックホールの最終合体段階における重力波放射を評価すること。
• パルサー計時アレイ技術を用いてGW150914に類似した信号の検出可能性を評価すること。
• 電磁放射線が合体ブラックホール系から脱出可能な条件を調査すること。
• aLIGOからの観測制約と理論的予測の重力波放射を比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GW150914系におけるブラックホール成長は、定常計量によって一貫して記述可能か？
• RQ2 二つの恒星質量ブラックホールの合体中にどのような種類の放射が生成されるか？
• RQ3 パルサー計時アレイを用いてGW150914に類似したイベントを検出可能か？
• RQ4 GW150914に類似したイベントの電磁気的対応体が観測可能となる条件は何か？
• RQ5 将来の高感度重力波検出器は、ブラックホールの事象の地平線付近の時空幾何学をどのように探査できるか？

主な発見

• 定常計量を用いたブラックホール成長の記述は、観測されたGW150914イベントとは整合しない。
• GW150914に類似した系では、二つのブラックホールの合体中に重力波放射のみが生成される。
• パルサー計時アレイでは、GW150914に類似した重力波イベントを検出できない。
• ブラックホールが極めて密度の高い媒体に埋め込まれている場合を除き、GW150914に類似したイベントは従来の天文学的手法では同定できない。
• 将来の高感度重力波検出器は、ブラックホールの事象の地平線付近の物質分布および時空幾何学を探査できる可能性がある。
• GW150914に電磁気的対応体が存在しないことから、このようなイベントは極端な環境的条件が整わない限り、従来の電磁気的手段では検出不可能であると示唆される。