[論文レビュー] Microlensing of gravitational waves by dark matter structures

Malcolm Fairbairn, Juan Urrutia+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、低温ダークマター（CDM）の準位相と、ぬるいダークマター（FDM）ハロー内のソリトニックコアを含む、低質量ダークマター・ハローによる重力波のマイクロレンズ効果を調査する。検出可能なマイクロレンズイベントは、BBOおよびETでは年間約0.01件と非常にまれであるが、ダークマターがコンパクトで星間質量の物体である場合、ETでは年間最大1,000件のレンズ効果が検出可能であることが判明した。

ABSTRACT

Gravitational lensing of gravitational waves provides a potential new probe of dark matter structures. In this work, we consider the microlensing effect on gravitational wave signals from black hole binaries induced by low-mass dark matter halos that do not retain enough baryonic matter to hold stars. We clarify systematically when this microlensing effect is relevant and study in detail its detectability by future gravitational wave observatories. We consider lensing by cold dark matter halos and by solitonic cores that reside in fuzzy dark matter halos. Our results show that although the effect can be detectable at relatively large impact parameters, the probability of detecting such lensed events is low. In particular, we find that the expected number of events lensed by cold dark matter halos is $O(0.01)$ per year for BBO and the expected number of events lensed by solitonic cores inside fuzzy dark matter halos is $O(0.01)$ per year for ET. In the case that a significant fraction of dark matter consists of $=O(100 M_\odot)$ objects that are relatively compact, $R < O(0.1\,{ m pc})$, we show that the expected number of lensed events per year ET can be very large, $0(1000)$.

研究の動機と目的

• ブラックホール二重星からの重力波信号に対する低質量ダークマター・ハローによるマイクロレンズ効果の検出可能性を評価すること。
• 将来の重力波観測所にとって、ダークマター構造によるマイクロレンズ効果が関係する物理的条件を明確にすること。
• BBO、ET、LISAといった将来の検出器が、CDMハローおよびFDMのソリトニックコアからのマイクロレンズインプリントにどの程度感度を持つのかを評価すること。
• ぬるいダークマターのシナリオに見られるような、コンパクトなダークマター物体（例：100 M☉で半径 < 0.1 pc）がマイクロレンズ検出率に与える影響を調査すること。
• マイクロレンズイベントが観測されなかった場合に、ダークマター準位相の存在割合に関する制約を導出すること。

提案手法

• NFWおよびEinasto密度プロファイルを持つ球対称なダークマター・ハローに対して、波動光学および光線追跡法を用いてマイクロレンズ効果をモデル化する。
• 重力波がダークマター準位相の近傍を通過する際の増幅率および時間遅れを、解析的および数値的手法で計算する。
• コールドダークマターのハロー質量関数およびぬるいダークマターのハロー内のソリトニックコアプロファイルを用いて、レンズ効果の確率を推定する。
• BBO、ET、LISA、AEDGEなどの重力波検出器の異なる周波数帯域における信号対雑音比を計算し、検出可能性を評価する。
• 合体率密度とレンズ断面積、検出器感度を組み合わせることで、年間のレンズ効果イベントの期待値を推定する。
• 特にコア半径がエインシュタイン半径と同等の大きさである場合に、コンパクトコアにおける有限サイズ効果および干渉パターンを波動光学的領域で評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 将来の観測所が、低質量ダークマター・ハローによる重力波のマイクロレンズ効果を検出可能な条件は何か？
• RQ2 コールドダークマター・ハローとぬるいダークマターのハロー内のソリトニックコアとの間で、マイクロレンズの検出可能性にどのような差が生じるか？
• RQ3 標準的なダークマター準位相分布を仮定した場合、BBOおよびETにおけるマイクロレンズ効果を受ける重力波イベントの予想発生率はどの程度か？
• RQ4 有限サイズ効果および波動光学的現象は、コンパクトなダークマター構造におけるマイクロレンズシグナルにどのように影響を与えるか？
• RQ5 マイクロレンズイベントが観測されなかった場合、コンパクトなダークマター物体の存在割合にどのような制約を課すことができるか？

主な発見

• コールドダークマターの準位相による年間のマイクロレンズ効果イベントの期待値は、BBOでは約0.01、ETでは約0.01である。
• ぬるいダークマターのハロー内のソリトニックコアについても、ETでは年間約0.01件の検出可能なレンズ効果イベントが期待される。
• ダークマターがコンパクトで星間質量の物体（例：100 M☉で半径 < 0.1 pc）から構成されている場合、ETでは年間最大1,000件のレンズ効果イベントが検出可能である。
• LISA、AEDGE、BBOの最大検出可能なマイクロレンズ確率は、それぞれ5×10⁻⁵、10⁻⁵、1.3×10⁻³である。
• ETは、エインシュタイン半径の10倍程度まで大きな半径のソリトニックコアに対してもマイクロレンズ効果を探索可能である。
• axion様粒子質量が約10⁻¹⁷ eVのぬるいダークマターでは、ETの最大レンズ効果確率は3×10⁻⁵であり、年間約0.01件のレンズ効果イベントが期待される。