[論文レビュー] Mid-band gravitational wave detection with precision atomic sensors

Peter W. Graham, Jason M. Hogan+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2017

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 14被引用数 80

ひとこと要約

この論文は、MAGIS の科学的到達範囲と技術的実現性を評価する。MAGIS は中域（≈30 mHz から 10 Hz）での二衛星、原子干渉計ベースの検出器で、重力波を検出し、宇宙論と暗黒物質を探ることを目的とする。

ABSTRACT

We assess the science reach and technical feasibility of a satellite mission based on precision atomic sensors configured to detect gravitational radiation. Conceptual advances in the past three years indicate that a two-satellite constellation with science payloads consisting of atomic sensors based on laser cooled atomic Sr can achieve scientifically interesting gravitational wave strain sensitivities in a frequency band between the LISA and LIGO detectors, roughly 30 mHz to 10 Hz. The discovery potential of the proposed instrument ranges from from observation of new astrophysical sources (e.g. black hole and neutron star binaries) to searches for cosmological sources of stochastic gravitational radiation and searches for dark matter.

研究の動機と目的

• LISAとLIGOの間のギャップとして、中域の重力波検出を動機づける。
• Sr原子干渉計を用いた二衛星基線のMAGIS検出器概念を提案する。
• 天体物理学的、宇宙論的、暗黒物質源を横断する潜在的な科学ケースを評価する。
• 実現性と性能を評価するための機器設計と感度モデルの概要を示す。

提案手法

• Srベースの原子時計と原子干渉計を備えた二衛星 MAGIS 構成を説明する。
• レーザー雑音を打ち消すため、二つの離れた原子基準間の差分位相を用いる測定戦略を説明する。
• 重力波応答の方程式を含む、共振およびブロードバンド運用モードを提示する。
• 振動、重力勾配、光子ショットノイズ、タイミングジッター、指向、温度、磁場などの定量的要件を含む、機器誤差モデルと主要ノイズ源を概説する。
• 感度曲線を示し、大モーメント転送と共振増幅（n および Q）の最適化について議論する。
• WD二重連星、BH/NS連星、IMBH、宇宙論的源、暗黒物質信号を含む科学目標について論じる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MAGIS で 0.03 Hz から 3 Hz の中域で達成可能な重力波ひずみ感度はどの程度か。
• RQ2 ブロードバンドおよび共振運用の両方で、MAGIS が観測または制約できる天体物理学的・宇宙論的源は何か。
• RQ3 MAGIS は AdvLIGO および電磁波観測施設と共同観測をどのように可能にし、マルチメッセージ天文学を実現するか。
• RQ4 ターゲット感度に達するための主要な技術ノイズ源と必須の機器仕様は何か。
• RQ5 MAGIS は中域で超軽量暗黒物質や他の新物理を探ることができるか。

主な発見

• MAGIS は LISA と LIGO の間の中域（≈30 mHz から 10 Hz）で科学的に興味深いひずみ感度を達成できる。
• 発見モードの0.05 Hz付近で、MAGIS は大規模な BH 二重星と WD 二重星を検出し、前融定位の可能性を持つ。
• Q>1 の共振運用は、対象周波数で感度を高め、長寿命の源を追跡・定位できる。
• MAGIS は NS-NS、NS-BH、BH-BH の合体での天球定位を度スケールで可能にし、迅速な電磁対応を支援する。
• 機器は宇宙論的源（例：inflation signals、cosmic strings、first-order phase transitions）および超軽量暗黒物質を、原子遷移の変調を通じて探索できる。
• 感度は複数の技術ノイズ源（振動、重力勾配、光子ショットノイズ、タイミングジッター、指向、温度、磁場）の制御に依存し、特定のエンジニアリング仕様を必要とする。）