[論文レビュー] Primordial Gravitational Waves and Inflation: CMB and Direct Detection With Space-Based Laser Interferometers

Asantha Cooray|ArXiv.org|Mar 5, 2005

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、宇宙マイクロ波背景（CMB）の偏光とビッグバンオブザーバーのような宇宙空間レーザ干渉計を用いて、インフレーション期の原始的重力波の検出を調査する。重力レンズ効果に起因するBモード汚染は、高分解能CMBまたは21 cmデータを用いることで軽減可能であり、これによりインフレーションエネルギースケール約10^15 GeVまでテンソルモードの検出が可能になる。一方、0.01–1 Hz帯での直接検出は、合体する中性子星二重星の信号が低レートで、周波数が急速に上昇するため、それらの混在を効果的に除去することで実現可能である。

ABSTRACT

The curl-modes of Cosmic Microwave Background (CMB) polarization probe horizon-scale primordial gravitational waves related to inflation. A significant source of confusion is expected from a lensing conversion of polarization related to density perturbations to the curl mode, during the propagation of photons through the large scale structure. Either high resolution CMB anisotropy observations or 21 cm fluctuations at redshifts 30 and higher can be used to delens polarization data and to separate gravitational-wave polarization signature from that of cosmic-shear related signal. Separations based on proposed lensing reconstruction techniques for reasonable future experiments allow the possibility to probe inflationary energy scales down to 10^15 GeV. Beyond CMB polarization, at frequencies between 0.01 Hz to 1 Hz, space-based laser interferometers can also be used to probe the inflationary gravitational wave background. The confusion here is related to the removal of merging neutron star binaries at cosmological distances. Given the low merger rate and the rapid evolution of the gravitational wave frequency across this band, reliable removal techniques can be constructed. We discuss issues related to joint constraints that can be placed on the inflationary models based on CMB polarization information and space-based interferometers such as the Big Bang Observer.

研究の動機と目的

• レンズ効果に起因するBモード汚染を受けても、CMB偏光Bモードを用いた原始的重力波の検出を可能にする。
• 0.01–1 Hz帯における宇宙空間レーザ干渉計を用いたインフレーション期重力波背景の直接検出の可能性を評価する。
• 直接重力波検出における天体的前景、特に合体する中性子星二重星の混在を扱う。
• ホライズンスケール（CMBスケール）とミリオンkmスケール（干渉計スケール）の観測を組み合わせ、インフレーションモデルに対する共同制約を検討する。
• 将来の実験、特にビッグバンオブザーバーの可能性を評価し、スケールの30桁にわたるインフレートンポテンシャルの探査を可能にする。

提案手法

• インフレーションに起因する原始的重力波を調べるために、特に渦状モード（Bモード）を含むCMB偏光非均一性を用いる。
• 高分解能CMBまたは21 cmフラクチュエーションデータを用いたレンズ再構築技術を適用し、Bモード信号のデレンズ化を行い、重力波寄与と宇宙シアーに起因するBモードを分離する。
• インフレーションエネルギースケールと関連する振幅とスペクトル指数を持つ標準的テンソルパワー スペクトルを用いて、インフレーションに起因する重力波背景をモデル化する。
• LISA、BBO、究極的DECIGOといった宇宙空間干渉計の感度曲線を推定し、コンact二重星合体などの天体的前景と比較する。
• 合体する中性子星二重星に起因する混在ノイズを定量化し、その低合体レートと急速な周波数上昇が、マッチドフィルタリングによる信頼性の高い除去を可能にすることを示す。
• ホライズンスケールでのCMBによる制約と、より大きな基準長での直接干渉計検出を組み合わせ、スケールの約30桁にわたるインフレートンポテンシャルの形状を再構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高分解能CMBまたは21 cmデータを用いたレンズ再構築により、CMB偏光データからレンズ効果に起因するBモードをどれだけ効果的に除去できるか。
• RQ2 将来の高分解能または21 cmデータを用いたデレンズ化後、CMB Bモード偏光を用いてどの程度のインフレーションエネルギースケールまで探査可能か。
• RQ3 ビッグバンオブザーバーのような宇宙空間レーザ干渉計は、0.01–1 Hz帯でインフレーション期の重力波背景を検出可能か。
• RQ4 直接重力波検出における天体的前景、特に合体する中性子星二重星の混在をどのように軽減できるか。
• RQ5 ホライズンスケールでのCMB観測とミリオンkmスケールでの直接干渉計検出を組み合わせることで、インフレートンポテンシャルにどのような共同制約が得られるか。

主な発見

• 高分解能CMBまたは21 cmデータを用いたレンズ再構築により、原始的重力波に起因するBモードと宇宙シアーに起因するBモードを分離可能であり、これによりインフレーションエネルギースケール約10^15 GeVまでテンソルモードの検出が可能になる。
• WMAPによる大規模偏光非均一性の測定は、再電離光学的厚さが0.17±0.04であることを示唆し、これはz~17での早期再電離を意味するが、これによりCMBに基づくインフレーション制約が複雑化するが、多波長データを用いることで分離可能である。
• ビッグバンオブザーバーのような宇宙空間干渉計は、合体する中性子星二重星などの前景が効果的に除去されれば、0.01–1 Hz帯でインフレーション期重力波背景を検出可能である。
• 中性子星二重星の合体レートが低く、周波数上昇が急速であるため、その重力波信号は信頼性高く背景から差し引くことができ、混在ノイズを最小限に抑えることができる。
• CMB観測によるホライズンスケールの制約と、直接干渉計検出によるミリオンkmスケールの観測を組み合わせることで、CMBデータのみに比べて、インフレートンポテンシャルの再構築が著しく改善される。
• COBE/WMAPからの現在の上限は、インフレーションエネルギースケールが約2×10^16 GeV未満であることを制限しているが、CMBデレンズ技術により、約2×10^15 GeVの信号の検出が可能になる。ただし、現在の計画にはこの周波数帯を標的とするミッションは存在しない。