[論文レビュー] On the Gravitational Wave Noise from Unresolved Extragalactic Binaries

D. I. Kosenko, К. А. Постнов|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 1998

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、観測された宇宙的星形成率の進化を考慮した、未解像化された銀河間二重白色矮星からの確率的重力波背景を計算している。LISA帯（10⁻³–10⁻² Hz）において、銀河系の混乱ノイズよりも最大で1桁小さい程度に留まり、初期高赤方偏移での星形成を含んでも、1年間の積分において~3×10⁻³ Hz以上の全周波数帯で銀河系信号に準じて支配的でないことが判明した。

ABSTRACT

We calculate stochastic gravitational wave background produced by extragalactic merging binary white dwarfs at the LISA frequencies $10^{-3}-10^{-2}$ Hz with account of a strong evolution of global star formation rate in the Universe recently established observationally. We show that for the observed global star formation history and modern cosmological models the extragalactic background is an order of magnitude smaller than the mean Galactic value. An early star formation burst at high redshifts can bring it at a higher level but still a few times lower than the mean Galactic one.

研究の動機と目的

• LISA周波数帯における未解像化された銀河間二重白色矮星からの確率的重力波背景を評価すること。
• 赤方偏移に伴う全星形成率（SFR）の観測された進化を重力波背景計算に組み込むこと。
• 銀河間二重星系が銀河系の混乱ノイズに比べて検出可能または顕著な背景を生成できるかどうかを特定すること。
• 宇宙論的モデルおよび初期星形成バーストの影響が銀河間重力波背景の振幅に与える影響を評価すること。

提案手法

• 著者らは、深宇宙フィールド調査（例：ハッブル深宇宙フィールド、CFHQSなど）から得られた赤方偏移依存の星形成率（SFR）を用いて、重力波背景のエネルギー密度をモデル化した。
• エネルギー損失が重力放射に支配的であると仮定し、チルプ質量形式を用いて重力波放射率と二重星合体率を関連づけた。
• 宇宙論的時間歪みと合体二重星の動的数密度の進化を考慮した上で、赤方偏移について統合した。
• 標準的なΩGW(f)の式を用い、対数周波数間隔あたりの動的エネルギー密度と関連づけて背景振幅を計算した。
• さまざまな宇宙論的モデル（例：ΛCDM、開いた、平坦）と、z > 2での初期星形成バーストを含むシナリオを比較した。
• 最終的な結果は、検出可能性と相対的重要性を評価するために、銀河系背景レベルに正規化された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤方偏移に伴う観測された星形成率の進化を組み込むと、銀河間重力波背景の予測振幅にどのような影響を与えるか？
• RQ2 LISA周波数帯（10⁻³–10⁻² Hz）における銀河間二重白色矮星の全確率的GW背景に占める相対的寄与はどの程度か？
• RQ3 初期高赤方偏移での星形成バーストが、銀河系の混乱ノイズに匹敵するか、それ以上のレベルまで銀河間GW背景を顕著に増幅できるか？
• RQ4 銀河間背景の等方性は、非等方的である銀河系背景と比較してどう異なるか？また、LISAの源分離にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 合体二重白色矮星に起因する銀河間重力波背景は、LISA帯（10⁻³–10⁻² Hz）において、平均的な銀河系の混乱ノイズよりも最大で1桁小さい。
• 赤方偏移z ~ 2–6での強い初期星形成バーストを含んでも、銀河系平均よりも数倍小さいままであり、銀河系レベルの約10%を上回ることはなかった。
• 1年間の積分時間では、銀河系二重星の混乱限界が約3×10⁻³ Hzで透過するため、より高い周波数帯で銀河間背景が関係する可能性がある。
• 背景振幅はバリオン物質密度Ωbh₁₀₀²に比例するが、0.02の上限でさえも、銀河間信号が銀河系ノイズに準じて支配的でないことを示している。
• 銀河間背景は等方的で、LISAの軌道運動による変調を受けないが、それとは対照的に銀河系成分は非等方的であるため、相互相関技術による分離に役立つ可能性がある。
• 星形成率がz > 3で増加し続けない限り、銀河間GW背景エネルギー密度はΩGW ~ 10⁻⁹と予想され、銀河系平均の10分の1に満たない。