[論文レビュー] Low-Frequency Sources of Gravitational Waves: A Tutorial

B. F. Schutz|ArXiv.org|Oct 15, 1997

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

B. F. Schutzによるこのチュートリアルは、銀河系バイナリーやマスイブブラックホール合体といった低周波数源からの重力波放射を、波動振幅および放射反作用の解析的公式を用いて推定する包括的なフレームワークを提供する。LISAのような宇宙空間に配置された検出器が一般相対性理論およびブラックホール物理学の高精度な検証を可能にし、主要パrameterにおいて1パーセント未満の精度で詳細な天体物理学的・宇宙論的知見をもたらすことを示している。

ABSTRACT

Gravitational wave detectors in space, particularly the LISA project, can study a rich variety of astronomical systems whose gravitational radiation is not detectable from the ground, because it is emitted in the low-frequency gravitational wave band (0.1 mHz to 1 Hz) that is inaccessible to ground-based detectors. Sources include binary systems in our Galaxy and massive black holes in distant galaxies. The radiation from many of these sources will be so strong that it will be possible to make remarkably detailed studies of the physics of the systems. These studies will have importance both for astrophysics (most notably in binary evolution theory and models for active galaxies) and for fundamental physics. In particular, it should be possible to make decisive measurements to confirm the existence of black holes and to test, with accuracies better than 1%, general relativity's description of them. Other observations can have fundamental implications for cosmology and for physical theories of the unification of forces. In order to understand these conclusions, one must know how to estimate the gravitational radiation produced by different sources. In the first part of this lecture I review the dynamics of gravitational wave sources, and I derive simple formulas for estimating wave amplitudes and the reaction effects on sources of producing this radiation. With these formulas one can estimate, usually to much better than an order of magnitude, the physics of most of the interesting low-frequency sources. In the second part of the lecture I use these estimates to discuss, in the context of the expected sensitivity of LISA, what we can learn by from observations of binary systems, massive black holes, and the early Universe itself.

研究の動機と目的

• 低周波数天体物理学的源からの重力波振幅および放射反作用を推定するためのアクセスしやすい解析的ツールの開発。
• LISAのような宇宙空間に配置された検出器向けに、銀河系バイナリーおよびマスイブブラックホールからの検出可能な信号の正確な予測の実現。
• これらの信号が一般相対性理論およびブラックホールの性質に対する高精度な検証をどのように可能にするかの提示。
• 低周波数重力波観測が二重星進化、活動銀河核、および初期宇宙宇宙論に与える影響の探求。

提案手法

• 源の運動および軌道パラメータに基づいた、重力波振幅の簡単な解析的公式の導出。
• コンパクト二重星系における放射反作用効果の推定に四極子公式の適用。
• 低周波数帯域（0.1 mHz から 1 Hz）における波形および信号強度のモデル化に、後ニュートン近似の使用。
• LISA感度曲線を用いた信号対雑音比の評価により、さまざまな源の検出可能性の評価。
• 理論的波形と予想される検出器応答を統合し、観測可能なシグネチャの予測。
• ブラックホール質量、スピン、時空曲率のパラメータ推定の精度の見積もりにこれらのツールの適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 検出計画のための十分な精度で、低周波数源からの重力波振幅をどのように推定できるか？
• RQ2 LISAのような宇宙空間に配置されたインターフェロメータが検出可能な主な低周波数源は何か？
• RQ3 重力波観測が、1パーセント未満の精度で強場領域における一般相対性理論をどの程度まで検証可能か？
• RQ4 放射反作用効果は、低周波数帯域におけるコンパクト二重星系の進化にどのように影響を与えるか？
• RQ5 マスイブブラックホール合体および銀河系バイナリーの観測から、どのような宇宙論的および天体物理学的知見が得られるか？

主な発見

• 本論文は、大多数の低周波数源に対して、重力波振幅を1桁のオーダー以内の精度で推定できる解析的公式を導出している。
• LISAは、高赤方偏移領域のマスイブブラックホール合体を、高精度なパラメータ推定に十分な信号対雑音比で検出できると予想される。
• 放射反作用力は四極子公式を用いて正確にモデル化可能であり、インスパイラルの時定数および波形の予測が可能になる。
• 極端に質量比の大きいインスパイラルの観測は、ブラックホールの一意性および一般相対性理論を1％未満の精度で検証可能である。
• 低周波数重力波は、二重星進化および活動銀河核を特徴づける独自のプローブを提供し、長年の天体物理学的不確実性の解消に潜在的である。
• 銀河系バイナリーおよびマスイブブラックホールの理論的波形が、LISAで高い信頼性で検出可能であることが示され、源の物理的性質の詳細な研究が可能になる。