[論文レビュー] Multimessenger Universe with Gravitational Waves from Binaries

B. S. Sathyaprakash, M. Bailes+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 54被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、第三世代（3G）重力波検出器とマルチメッセンジャーアストロノミーが、正確な局所化、ハブ銀河の特定、多波長電磁気的追従観測を可能にすることで、コンact二重星合体の理解を根本的に変えると提唱している。本研究では、3Gネットワークが年間最大99万件の二重中性子星合体を検出可能であり、中央値の局所化誤差が12 deg²未塔であることを示している。これにより、宇宙論的測定、核合成研究、一般相対性理論の検証が、質量ブラックホールの種や中間質量ブラックホールを対象としたLISA–3G連携観測によって可能になる。

ABSTRACT

Future GW detector networks and EM observatories will provide a unique opportunity to observe the most luminous events in the Universe involving matter in extreme environs. They will address some of the key questions in physics and astronomy: formation and evolution of compact binaries, sites of formation of heavy elements and the physics of jets.

研究の動機と目的

• 第三世代（3G）重力波検出器ネットワークと電磁気的（EM）観測所を併用した場合の、コンパクト二重星合体の研究における科学的潜在的可能性を評価すること。
• 現在のアドバンスド検出器と比較して、3Gネットワークがもたらす局所化、ハブ銀河同定、宇宙論的距離測定の向上を定量化すること。
• LISA（ミリHz帯）と3G検出器（オーディオ帯）の連携観測が、ブラックホール形成経路の制約強化および一般相対性理論の検証をどのように向上させるかを検討すること。
• 次世代望遠鏡を用いて、高赤方偏移（z > 0.5）における中性子星–ブラックホールおよび二重中性子星合体の電磁気的対応体を検出する可能性を評価すること。
• 統計的手法とEM追従観測が、目に見える対応体のない二重ブラックホール合体の距離および赤方偏移測定をどのように改善できるかを特定すること。

提案手法

• 星形成歴史としてMadau-Dickinsonモデルと、100 Myrの時間定数を有する遅延モデルを用いて、合体率と赤方偏移分布をシミュレートする。
• LIGO-Hanford、LIGO-Livingston、Virgo、KAGRAに加え、将来の3G検出器（1 Einstein Telescopeと2 Cosmic Explorers）を含むネットワーク構成を用い、検出率と局所化精度を計算する。
• 特に電磁気的対応体のない二重ブラックホール合体に対して、銀河カタログを用いた統計的手法を適用してGWイベントとハブ銀河を関連付ける。
• LSST、Euclid、SKA、WFIRSTなどの現在および将来の施設（露出限界（ABマグニチュード、フラックス密度）を用いて）の電磁スペクトル全域におけるEM対応体の検出可能性をモデル化する。
• LISAが、合体の数年前に星質量二重ブラックホールのスパイラルを検出できることをシミュレートし、地上検出器のための早期警告を提供できることを示す。
• LISAの高い離心率および天球位置の局所化精度と、3Gのスピンおよび距離の測定を組み合わせることで、デゲネラシーを解消し、形成経路を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3G重力波検出器ネットワークは、現在の検出器と比較して、二重中性子星および中性子星–ブラックホール合体の局所化をどの程度改善するか？
• RQ2 次世代の光学および赤外望遠鏡を用いて、高赤方偏移（z > 0.5）におけるGW170817に類似したイベントのEM追従観測をどの程度達成できるか？
• RQ3 中間質量ブラックホールの種や質量ブラックホール系を対象としたLISA–3G連携観測により、星質量ブラックホールと超大質量ブラックホールの間の連続性を解明できるか？
• RQ4 LISAと3G検出器が測定するコンパクト二重星のスピン、離心率、および軌道傾きが、動的集合や分離二重星進化といった形成メカニズムをどの程度制約できるか？
• RQ5 GWイベントと銀河カタログの統計的相関が、特に電磁気的対応体のないイベントに対して、ハッブル定数のような宇宙論的パラメータを測定する潜在的可能性はいかほどか？

主な発見

• 3Gネットワーク（1ET+2CE）は、年間約99万件の二重中性子星合体を検出可能であり、中央値の局所化誤差は12平方度未塔であると予測されている。
• 12 deg²の中央値の局所化により、3Gネットワークは、キリノヴァのサブアーセコンド級のEM局所化を可能にし、核合成およびジェット物理学の研究に不可欠となる。
• 3Gネットワークは、年間1万4千件のイベントを1平方度以内に局所化可能であり、ハブ銀河同定および赤方偏移測定の正確性が著しく向上する。
• LISAは、赤方偏移z ≈ 0.3までの星質量二重ブラックホールを検出可能であり、一部の系は合体の数年前に周波数バンドを通過し、早期警告アラートを提供できる。
• LISA–3G連携観測により、離心率の精度がΔe < 0.001に達し、軌道傾きと距離のデゲネラシーを解消でき、一般相対性理論の検証が強化される。
• 3Gで検出された二重ブラックホールイベントと銀河カタログの統計的相関により、平均して1つの銀河しか予想されない体積に源を局所化可能となり、ハッブル定数の測定精度が約1%に達する可能性がある。