[論文レビュー] Indirect Visibility of Gravitational Waves in Magnetohydrodynamic Plasmas

Joachim Moortgat, J. Kuijpers|ArXiv.org|Mar 17, 2005

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、中性子星合体における磁流力学的（MHD）プラズマとの相互作用を活用して重力波（GWs）を間接的に検出する手法を提案する。GWsは同じ周波数でMHD波を励起し、それらが相対論的電子における逆コンプトン散乱によって観測可能な電波放射を生成する——低周波数帯ではGW自体が見えないにもかかわらず、LOFARで検出可能な信号が得られる可能性がある。

ABSTRACT

We propose a mechanism to make gravitational waves (GWs) visible in the electromagnetic domain. Gravitational waves that propagate through a strongly magnetized plasma interact with the plasma through its anisotropic stress-energy tensor and excite magnetohydrodynamic (MHD) wave modes. In catastrophic events such as the merger of a double neutron star binary, a large fraction of the total binding energy of the system is released in the form of GWs observable by LIGO, and the amount of energy transferred to the MHD waves is substantial. These modes, however, are excited at the same frequency as the GW and are not directly observable. In this paper we investigate radiation processes that operate in the presence of the gravitationally excited MHD waves and radiate in the radio regime accessible to LOFAR. We present order of magnitude estimates for the spectral flux of a merger detectable by a LOFAR.

研究の動機と目的

• 直接検出が困難な強磁場プラズマにおける重力波（GWs）の電磁的特徴を調査すること。
• GWsが同じ周波数でMHD波を励起するため、電波帯域では直接検出が不可能であるという問題に取り組むこと。
• これらのGW励起MHD波が、逆コンプトン散乱によって観測可能な電磁放射を生成できるかを調査すること。
• LOFAR低周波電波アレイを用いた、このような間接的電波信号の検出可能性を評価すること。
• 短いガンマ線バーストのような一時的現象における従来の電波放射メカニズムとは異なるこのメカニズムを区別すること。

提案手法

• 重力波と磁場を有するプラズマの相互作用を、アインシュタイン場方程式を用いてモデル化し、プラズマの非等方的ストレステンソルに注目する。
• 線形化されたアインシュタイン方程式を用いて、GWの偏態（h₊, hₓ）とMHD波モード（アルベール波および高速磁気音圧波）との結合を導出する。
• δBₓ ∝ ½h₊Bₓ⁰ および δBᵧ ∝ ½hₓBₓ⁰ の関係を用い、GWから誘導される磁場摂動を記述する。
• 相対論的電子（γ > 100）による低周波MHD波の逆コンプトン散乱を推定し、放射をLOFAR帯（30–240 MHz）に励起する。
• 銀河間プラズマおよび銀河内プラズマによる信号分散を考慮し、分散測定値（dm）と周波数依存遅延 dt/dν ∼ −8×10⁻³ dm / ν³ を用いる。
• MHD波が相対論的粒子に対してアンデュレータ構造を形成する場合、自由電子レーザーに類似したメカニズムによりコherent放射が生じる可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強磁場プラズマを通過する重力波が、二次的プロセスを通じて検出可能な電磁放射を励起できるか？
• RQ2 GWが誘導するMHD波に対する相対論的電子の逆コンプトン散乱は、どの程度LOFAR周波数帯（30–240 MHz）で観測可能な電波放射を生成できるか？
• RQ3 銀河間分散が、得られる電波パルスの検出可能性に与える影響は何か？LOFARは依然としてそのパルスを解像可能か？
• RQ4 この電波信号は、短いガンマ線バーストのような現象における従来の放射メカニズムと区別できるか？
• RQ5 ジェット状構造内における大振幅MHD波と相対論的粒子の相互作用から、コherent放射がどの条件下で発生可能か？

主な発見

• GWsは、GWと同じ周波数で高速磁気音圧MHD波を励起するが、電波帯では直接観測できない。
• 相対論的電子（γ > 100）による逆コンプトン散乱により、MHD波の放射周波数がLOFAR帯（30–240 MHz）に上シフトされる。
• 二重中性子星合体からの推定スペクトル放射度は、分散を考慮してもLOFARで検出可能であるほど十分に強い。
• 銀河間プラズマによる分散（100 Mpcで dm ∼ 10⁷ pc m⁻³）は、30 MHzで1 MHzあたり約3秒の遅延を引き起こし、パルスをぼやけさせるが、検出可能性を抑制はしない。
• 銀河背景の輝度温度（30 MHzで1.7×10⁴ K）は、LOFARのシステム温度（2.3×10⁴ K）未満であり、前景雑音との混同を低減する。
• 自由電子レーザーに類似したメカニズムによるコherent放射は、さらなる放射強度増幅をもたらし、より強い信号チャネルを提供する可能性がある。