[論文レビュー] Observing Radio Pulsars in the Galactic Centre with the Square Kilometre Array

Ralph P. Eatough, T. Joseph W. Lazio+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 6被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、天の川銀河中心部のSgr A*の周囲を公転する電波パルサーの検出と計測に、アレイ面積が1平方kmに達する電波望遠鏡（SKA）を活用することで、強い重力場における一般相対性理論の未曾有の検証を可能にする。SKAの高い感度と計測精度を活かし、1年未塔の公転周期を有するパルサーは、フレーム・ドレーニングやブラックホールの四重極モーメントの直接測定を可能にし、no-hair定理や宇宙監視仮説の検証が可能となる。

ABSTRACT

The discovery and timing of radio pulsars within the Galactic centre is a fundamental aspect of the SKA Science Case, responding to the topic of "Strong Field Tests of Gravity with Pulsars and Black Holes" (Kramer et al. 2004; Cordes et al. 2004). Pulsars have in many ways proven to be excellent tools for testing the General theory of Relativity and alternative gravity theories (see Wex (2014) for a recent review). Timing a pulsar in orbit around a companion, provides a unique way of probing the relativistic dynamics and spacetime of such a system. The strictest tests of gravity, in strong field conditions, are expected to come from a pulsar orbiting a black hole. In this sense, a pulsar in a close orbit ($P_{ m orb}$ < 1 yr) around our nearest supermassive black hole candidate, Sagittarius A* - at a distance of ~8.3 kpc in the Galactic centre (Gillessen et al. 2009a) - would be the ideal tool. Given the size of the orbit and the relativistic effects associated with it, even a slowly spinning pulsar would allow the black hole spacetime to be explored in great detail (Liu et al. 2012). For example, measurement of the frame dragging caused by the rotation of the supermassive black hole, would allow a test of the "cosmic censorship conjecture." The "no-hair theorem" can be tested by measuring the quadrupole moment of the black hole. These are two of the prime examples for the fundamental studies of gravity one could do with a pulsar around Sagittarius A*. As will be shown here, SKA1-MID and ultimately the SKA will provide the opportunity to begin to find and time the pulsars in this extreme environment.

研究の動機と目的

• 天の川の特大質量ブラックホールSagittarius A*の近くを公転するパルサーを用いて、重力の強い場における検証を可能にする。
• 現在の赤外線分光測定法の限界を乗り越えるために、パルサー計測を用いて0.2ミクロアーセコンド未満の空間局所化と、3桁高い精度の動力学的測定を実現する。
• 短い公転周期および間歇的電波出力を示す電波パルサーを同定・特徴づけ、特大質量ブラックホール周辺の時空の力学的挙動を解明する。
• 分散、散乱、スペクトル特性を考慮した上で、SKA1-MIDおよび将来のSKA構成によるパルサー検出可能性を評価する。
• 周期性検出法と一時的信号検出法を組み合わせた探索戦略を開発し、極めて相対論的効果が顕著なパルサーの発見可能性を最大化する。

提案手法

• 1年未塔の公転周期を有するパルサーを検出するため、分散除去、軌道デモジュレーション（加速度検出の近似を含む）、およびフーリエ解析を用いた周期性探索を実施する。
• 間歇的パルサー（最大10^38 Kの輝度温度を示す巨大パルスやナノ巨大パルスを放出するものも含む）を同定するため、一時的および単一パルス検出アルゴリズムを実装する。
• 最小検出可能電波強度（式5.1）に基づく感度曲線を用い、帯域幅（Δν = 1.4–9.2 GHz）、システム温度（T_sys = 27 K）、スペクトル指数（α = -1.7）を考慮する。SKA1-MID Bands 3–5およびGBT 9 GHzでの測定を想定する。
• 銀河中心線方向の散乱を補正するため、マグネタールPSR J1745−2900の測定値を用いてパルス幅拡散（τ_s）をモデル化する。
• 特に弱い信号や間歇的信号に対して感度を向上させるために、パワースペクトルの非整合的結合を適用する。
• パルス幅、電波強度、散乱効果を考慮した複数周波数での長期計測キャンペーンを計画し、計測精度を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SKAは、Sgr A*に近接して公転する1年未塔の公転周期を有する電波パルサーを検出可能か、特にSgr A*に近接するパルサーに限って検出可能か？
• RQ2 パルサー計測は、現在の赤外線干渉測定（例：GRAVITY や ELTs）に比べて、どれほど高い精度の局所化と動力学的測定を可能にするか？
• RQ3 フレーム・ドレーニングやジオデトリック進化といった相対論的効果は、周期性検出および単一パルス検出におけるパルサーの検出可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 SKA1-MIDおよび将来のSKA構成は、異なるスペクトル指数、電波強度、散乱環境を有するパルサーに対して、どの程度の感度を示すか？
• RQ5 間歇的または巨大パルスを放出するパルサーの発見は、銀河中心部におけるパルサー発見の収量を著しく向上させ得るか？

主な発見

• SKA、特にSKA1-MIDは、公転周期が100時間未塔のパルサーを検出可能であり、重力の強い場における検証を可能にする。
• SKAによるパルサー計測は、空間局所化精度が0.2ミクロアーセコンド未塔（0.1光秒未塔）に達し、最高の赤外線干渉測定（10ミクロアーセコンド）を3桁上回る。
• 公転周期が1年未塔のパルサーは、ブラックホールのスピンに起因するフレーム・ドレーニングの直接測定を可能にし、宇宙監視仮説の検証が可能となる。
• パルサー計測を用いてSgr A*の四重極モーメントを測定可能であり、ブラックホールのno-hair定理の検証が可能となる。
• ビームの進動により観測不能となる間歇的パルサーを同定するには、単一パルスおよび一時的信号検出法が不可欠であり、Hulse-Taylorバイナリ系のような系で観測例がある。
• 感度曲線から、スペクトル指数がν^−1.7よりフラットなパルサー、あるいは複数観測の非整合的統合による検出が可能なパルサーが、より容易に検出可能であることが示された。