[論文レビュー] Pre-DECIGO can get the smoking gun to decide the astrophysical or cosmological origin of GW150914-like binary black holes

Takashi Nakamura, Masaki Ando+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 5

ひとこと要約

Pre-DECIGO、100 kmのアームを備えた宇宙望遠鏡として、赤方偏移z ≈ 30までGW150914に類似した二重ブラックホール合体を検出可能であり、イベントの赤方偏移分布を用いて、天体物理学的（Pop III/II）起源と原始的ブラックホール起源を区別できる。これは、高赤方偏移での検出率が形成モデルを一意に特定する「決定的証拠」として機能する。

ABSTRACT

Pre-DECIGO consists of three spacecraft arranged in an equilateral triangle with 100km arm lengths orbiting 2000km above the surface of the earth. It is hoped that the launch date will be in the late 2020s. Pre-DECIGO has one clear target: binary black holes (BBHs) like GW150914 and GW151226. Pre-DECIGO can detect $\sim 30M_\odot-30M_\odot$ BBH mergers up to redshift $z\sim 30$. The cumulative event rate is $\sim 1.8 imes 10^{5}\,{ m events~yr^{-1}}$ in the Pop III origin model of BBHs like GW150914, and it saturates at $z\sim 10$, while in the primordial BBH (PBBH) model, the cumulative event rate is $ \sim 3 imes 10^{4}\,{ m events~ yr^{-1}}$ at $z=30$ even if only $0.1\%$ of the dark matter consists of PBHs, and it is still increasing at $z=30$. In the Pop I/II model of BBHs, the cumulative event rate is $(3-10) imes10^{5}\,{ m events~ yr^{-1}}$ and it saturates at $z \sim 6$. We present the requirements on orbit accuracy, drag free techniques, laser power, frequency stability, and interferometer test mass. For BBHs like GW150914 at 1Gpc, SNR$\sim 90$ is achieved with the definition of Pre-DECIGO in the $0.01-100$Hz band. Pre-DECIGO can measure the mass spectrum and the $z$-dependence of the merger rate to distinguish various models of BBHs like GW150914. Pre-DECIGO can also predict the direction of BBHs at $z=0.1$ with an accuracy of $\sim 0.3\,{ m deg}^2$ and a merging time accuracy of $\sim 1$s at about a day before the merger so that ground-based GW detectors further developed at that time as well as electromagnetic follow-up observations can prepare for the detection of merger in advance. For intermediate mass BBHs at a large redshift $z > 10$, the QNM frequency after the merger can be within the Pre-DECIGO band so that the ringing tail can also be detectable to confirm the Einstein theory of general relativity with SNR$\sim 35$. [abridged]

研究の動機と目的

• GW150914に類似した二重ブラックホールが、天体物理学的プロセス（例：Pop III/II星）由来か、原始的ブラックホール形成由来かを特定すること。
• Pre-DECIGOが高赤方偏移での二重ブラックホール合体を検出可能であるかを評価し、これにより競合する形成モデルを区別できるかを検討すること。
• 赤方偏移に応じた異なるブラックホール形成シナリオにおけるイベントレートと信号対雑音比（SNR）を定量すること。
• 地上ベースのフォローアップ観測のための事前局在化と時刻精度を可能にすること。
• 高赤方偏移における中質量二重ブラックホール合体からの準正規モードリングを用いて一般相対性理論をテストすること。

提案手法

• Pop III、Pop I/II、原始的ブラックホール（PBBH）の3つの形成シナリオにおける、約30 M⊙–30 M⊙の二重ブラックホール（BBH）の累積イベントレートをモデル化。
• 標準的宇宙論を仮定し、Pre-DECIGOの感度曲線（0.01–100 Hz帯）を用いて、さまざまな赤方偏移におけるSNRを計算。
• z ≫ 1における検出可能性を推定するため、特徴的振幅の赤方偏移スケーリング h_c ∝ z^(-1/6) を適用。
• Wenら（2010）の角分解能式を用い、SNRと観測時間に基づいて天の川上での位置特定精度を推定。
• 軌道力学と干渉計応答関数を用いて、天体位置と合体時刻のパラメータ推定をシミュレート。
• ~640 M⊙–640 M⊙ BBHがz > 10で発生する準正規モードリングの検出可能性を、SNR ≈ 35を用いて評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pre-DECIGOは、高赤方偏移でのイベント検出を用いて、GW150914に類似した二重ブラックホールのPop III/II起源と原始的ブラックホール起源を区別できるか？
• RQ2 Pre-DECIGOがGW150914に類似したBBHを観測可能な最大赤方偏移は何か？また、形成モデルによってその差は何か？
• RQ3 Pre-DECIGOは、事前的電磁的フォローアップ観測を可能にする十分な局在化精度と時刻精度を達成できるか？
• RQ4 z > 10における中質量BBH合体のSNRは何か？また、リングダウン信号を用いて一般相対性理論をテストできるか？
• RQ5 Pop III、Pop I/II、PBBHの各形成モデルにおける累積イベントレートと赤方偏移分布は、どのように異なるか？

主な発見

• Pre-DECIGOは、約30 M⊙–30 M⊙の二重ブラックホール合体を赤方偏移z ≈ 30まで検出可能であり、Pop IIIモデルでは1年あたり約1.8 × 10⁵件の累積イベントレートを示す。
• 原始的ブラックホール（PBBH）モデルでは、ダークマターの0.1%しかPBHに含まれない場合でも、z = 30で約3 × 10⁴件/年のイベントレートに達し、z = 30でもまだ増加傾向にあり、そのレートは増加を続ける。
• z ≈ 0.2（1 Gpc）では、GW150914に類似したイベントの信号対雑音比（SNR）は0.01–100 Hz帯で約90である。
• z ≈ 30では、面対面のGW150914に類似したイベントの約10%がSNR > 5を示し、z ≈ 10では約10%がSNR > 7を示す。これは、振幅のz依存性が弱いため（h_c ∝ z^(-1/6)）に起因する。
• Pre-DECIGOは、z = 0.1の源を約0.3 deg²の範囲に局在化でき、合体の1日前に約1秒の精度で合体時刻を予測可能である。
• ~640 M⊙–640 M⊙ BBHがz > 10で発生する準正規モードリングはSNR ≈ 35で検出可能であり、一般相対性理論のテストが可能である。