[論文レビュー] Journey to the edge of time: The GREAT mission

Neil J. Cornish, David N. Spergel+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2002

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 3

ひとこと要約

GREATミッションは、強化されたLISA型干渉計を用いた宇宙ベースの重力波観測所を提案し、原始的宇宙重力波背景（CGB）を検出することを目指す。これにより、量子重力理論や初期宇宙物理学の直接的探査が可能となる。低〜中周波数帯で超安定なドラッグフリー制御と干渉計のクロス相関を実現することで、標準モデルが予測するインフレーション期の重力波を検出可能となり、プランクスケールにおける量子重力理論とインフレーション理論の検証が可能となる。

ABSTRACT

We are surrounded by radiation that originated from the big bang. It has traveled to us from the farthest reaches of the Universe, carrying with it an unaltered record of the beginning of time and space. The radiation is in the form of gravitational waves - propagating ripples in the curvature of spacetime. We describe a mission to detect these Gravitational Echos Across Time (GREAT) that would open up a new window on the very early universe. By studying the gravitational echoes of the big bang we will gain insight into the fundamental structure of matter, gravity, and how the Universe formed.

研究の動機と目的

• ビッグバンの化石的残滓である宇宙重力波背景（CGB）を検出し、宇宙の最も初期の瞬間に関する情報を得ること。
• 地上ベースの検出器の限界を克服するため、低周波数重力波が強く減衰しにくい宇宙空間で運用すること。
• CGB検出に必要な極めて高い感度を達成するため、先進的なドラッグフリー制御およびレーザー干渉計技術の開発。
• 独立した干渉計間のクロス相関技術を用いて、CGBの確率的信号を天体的前景および機器ノイズから区別すること。
• CGBの振幅およびスペクトル形状の測定を通じて、インフレーションモデルや量子重力理論といった基礎物理学の検証を実施すること。

提案手法

• 5×10⁵ kmから2.6×10⁸ kmの基線長を有する2つの独立した強化型LISA型宇宙干渉計を用い、低周波数および中周波数帯の重力波を検出する。
• 非重力的力から証明質量を遮断するため、10⁻¹⁸ m s⁻² Hz⁻¹/²の感度を持つ加速度計を備えたドラッグフリー制御システムを実装し、アタトメーター級の測定を可能にする。
• 1台の装置内でサニャックおよびミクロスン干渉計モードを併用するか、2つの独立した干渉計をクロス相関させることで、重力波信号と機器ノイズを分離する。
• 高出力レーザー（100 W）と大型望遠鏡（8 m）を用いて光子数の計数精度を向上させるとともに、指向誤差を低減し、位相安定性を向上させる。
• 8基の宇宙船を正方形配置し、各宇宙船に2台の望遠鏡を搭載する——1台はアーム信号用、もう1台はコーナーパイアの間での位相交換用。
• 短基線での感度向上を目的として、アクティブ位置制御を施したパワー再循環型ファブリ・ペロ干渉計を含む代替構成を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準インフレーションモデルが予測する原始的宇宙重力波背景（CGB）を、宇宙ベースの重力波観測所が検出可能かどうか。
• RQ2 10⁻⁵ Hz未満の周波数帯でCGB信号を検出するための感度を達成するために、どのような技術的進歩が必要か。
• RQ3 確率的背景としてのCGB信号を、天体的前景および機器ノイズからどのように区別できるか。
• RQ4 CGBのパワースペクトルがインフレーションポテンシャルの形状をどれほど制限できるか、またインフレーション理論の検証にどの程度寄与できるか。
• RQ5 CGBが、弦理論的補正を伴う重力理論など、プランクスケールにおける物理学の直接的実験的証拠を提供できるか。

主な発見

• 2.6×10⁸ kmの基線長と10⁻¹⁸ m s⁻² Hz⁻¹/²の感度を持つ超低周波数GREAT観測所は、10⁻⁶–10⁻⁵ Hz帯のCGBを検出可能であり、これはインフレーション期に対応する。
• 標準インフレーションモデルが予測するCGB（テンソルスカラー比0.01）は、提案されたGREATミッションの感度範囲内にあり、LIGOやLISAを上回る性能を有する。
• 2つの独立した干渉計のクロス相関により、信号対ノイズ比が観測時間の平方根に比例して向上し、CGBと相関のない機器ノイズを効果的に分離可能となる。
• 5×10⁵ kmの基線長、100 Wのレーザー、8 mの望遠鏡、10⁻¹⁷ m s⁻² Hz⁻¹/²の加速度計を備えた中周波数ミッションは、インフレーション期の重力波を検出するのに十分な感度を有する。
• 軌道半径を火星や海王星まで拡大することで、方向性感度の向上と熱的ノイズの低減が可能であるが、太陽電力の減少を伴う。
• 1台の干渉計内でサニャックおよびミクロスンモードを併用することで、ノイズをモニタリングしつつ、低周波数重力波に高い感度を維持する有効な手法が得られる。