[論文レビュー] LISA sources and science

Scott A. Hughes|ArXiv.org|Nov 1, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 7被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、レーザー干渉計宇宙アンテナ（LISA）で検出可能な天体物理学的源を概説し、主に質量の大きなブラックホール二重星および極端質量比降下（EMRI）を主な標的として強調している。LISAはこれらの源からの重力波を高精度で測定可能であり、ブラックホール質量やスピンの正確な決定が可能となる。これにより、赤方偏移にわたるブラックホール成長および宇宙構造の進化に関する画期的な知見が得られる。

ABSTRACT

LISA is a planned space-based gravitational-wave (GW) detector that would be sensitive to waves from low-frequency sources, in the band of roughly (0.03 - 0.1) mHz < f < 0.1 Hz. This is expected to be an extremely rich chunk of the GW spectrum -- observing these waves will provide a unique view of dynamical processes in astrophysics. Here we give a quick survey of some key LISA sources and what GWs can uniquely teach us about these sources. Particularly noteworthy science which is highlighted here is the potential for LISA to track the moderate to high redshift evolution of black hole masses and spins through the measurement of GWs generated from massive black hole binaries (which in turn form by the merger of galaxies and protogalaxies). Measurement of these binary black hole waves has the potential to determine the masses and spins of the constituent black holes with percent-level accuracy or better, providing a unique high-precision probe of an aspect of early structure growth. This article is based on the "Astrophysics and Relativity using LISA" talk given by the author at the Seventh Edoardo Amaldi Conference on Gravitational Waves; it is largely an updating of the author's writeup of a talk given at the Sixth International LISA Symposium.

研究の動機と目的

• 低周波帯（0.03–0.1 Hz）でLISAが観測可能な重力波源として最も重要なものを特定・特徴付けること。
• LISAが重力波観測を通じてブラックホール質量およびスピンを高精度で測定できる仕組みを示すこと。
• 特に中程度から高赤方偏移領域において、ブラックホール集団の宇宙的時間における進化をLISAがどのように追跡できるかを検討すること。
• 極端質量比降下（EMRI）を用いたブラックホールのカー性を検証するLISAの可能性を評価すること。
• 事前局在化および時刻予測を用いたLISAが特定した合体イベントに対する電磁気的フォローアップの可能性を評価すること。

提案手法

• Post-Newtonianおよび数値相対性理論の波形を用いて、質量の大きなブラックホール二重星からの重力波放射をモデル化し、LISA帯域における信号特性を予測すること。
• 重力放射の四極子式を適用し、波の振幅が $ h_{ij} \sim \frac{G}{c^4} \frac{\ddot{Q}_{ij}}{r} $ のようにスケーリングすることを考慮して、高相対論的・コンパクトな系の検出可能性を推定すること。
• EMRI波形を $ 10^4 $–$ 10^5 $ 周回にわたってコherent追跡することで、中心ブラックホールの質量およびスピンを含む時空パラメータを抽出すること。
• エネルギー密度パラメータを用いて、LISAが定常的重力波背景（特に原始的インフレーション信号を含む）にどの程度感度を持つかを推定すること。
• 合体二重星の天球上での局在精度をシミュレーションし、合体直前には約10弧分まで局在精度が向上することを示し、大規模なスカイスリープによる電磁気的フォローアップが可能であることを示すこと。
• LISAがトリガーした合体イベントと一致する電磁気的対応体（例：AGN活性化）の同定可能性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LISAは高赤方偏移における質量の大きなブラックホール二重星の質量およびスピンをどの程度の精度で測定できるか？
• RQ2 EMRIは、超大質量ブラックホール周辺の時空幾何学を調べるためのカー仮説の検証にどの程度の可能性を秘めているか？
• RQ3 LISAはインフレーション由来の原始的重力波背景を検出可能か？また、その感度限界はどのようになるか？
• RQ4 LISAは合体ブラックホール二重星の局在をどの程度の精度で行えるか？電磁気的フォローアップ観測を可能にするか？
• RQ5 検出可能なEMRIおよび質量の大きな二重星の降下の発生率はどの程度で、宇宙論的測定にどのように寄与するか？

主な発見

• LISAはブラックホール質量およびスピンを1％以下、あるいはそれ以下の精度で測定可能であり、宇宙的時間にわたるブラックホール成長の高精度な研究が可能となる。
• EMRIは、質量およびスピンの測定精度が約 $ 10^4 $ 分の1の程度に達すると予想され、静止状態のブラックホール集団を強力に探査できる。
• 年間数100件のEMRIが検出可能と予想され、一般相対性理論の強力場領域における検証にふさわしい豊富なサンプルが得られる。
• 質量の大きな二重ブラックホール合体の最終的局在精度は約10弧分まで向上し、大規模スカイスリープによる現実的な電磁気的フォローアップが可能となる。
• インフレーション由来の定常的重力波背景はLISAによる直接検出には弱すぎるが、将来的に十分な感度を持つ実験が実現すれば、CMBの偏光を介して探査可能となる可能性がある。
• EMRI波形に現れる「ズーム・ホイル」ダイナミクスは特徴的なインプリントを残し、高精度で時空パラメータを抽出可能なコherent追跡が可能となる。