[論文レビュー] Probing Dark Matter Clumps, Strings and Domain Walls with Gravitational Wave Detectors

Joerg Jaeckel, S. Schenk+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 135被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、LISAなどの重力波検出器を用いて、重力的影響によって干渉計ノードに測定可能なドップラーシフトを引き起こすことで、巨視的ダークマター構造（凝集体、宇宙ひも、ドメインウォール）を検出する手法を提案する。中程度の感度向上があれば、複数の周波数帯域でこのような対象が検出可能であることが示された。

ABSTRACT

Gravitational wave astronomy has recently emerged as a new way to study our Universe. In this work, we survey the potential of gravitational wave interferometers to detect macroscopic astrophysical objects comprising the dark matter. Starting from the well-known case of clumps we expand to cosmic strings and domain walls. We also consider the sensitivity to measure the dark matter power spectrum on small scales. Our analysis is based on the fact that these objects, when traversing the vicinity of the detector, will exert a gravitational pull on each node of the interferometer, in turn leading to a differential acceleration and corresponding Doppler signal, that can be measured. As a prototypical example of a gravitational wave interferometer, we consider signals induced at LISA. We further extrapolate our results to gravitational wave experiments sensitive in other frequency bands, including ground-based interferometers, such as LIGO, and pulsar timing arrays, e.g. ones based on the Square Kilometer Array. Assuming moderate sensitivity improvements beyond the current designs, clumps, strings and domain walls may be within reach of these experiments.

研究の動機と目的

• 重力波干渉計が、それらの重力的効果を通じて巨視的ダークマター構造を検出できる可能性を調査すること。
• 凝集体にとどまらず、宇宙ひもやドメインウォールを検出可能なダークマター候補として含めるための拡張。
• 現在および将来の検出器（LISA、LIGO、パulsarタイミングアレイ）がこれらの構造に対してどの程度感度を持つかを評価すること。
• 重力波計器を用いて局所的なダークマター密度の揺らぎを測定可能かどうかを評価すること。
• 特定のダークマターモデルに依存しない、重力的相互作用にのみ依存する現象論的枠組みを提供すること。

提案手法

• 質量を持つダークマター構造が時空を歪め、干渉計ノードに不均一な加速度を引き起こす差分重力加速度効果を用いる。
• LISAにおけるドップラー信号のモデル化に、時間遅延干渉計技術を適用し、信号の遅延と位相差を考慮する。
• 質量、速度、接近パラメータに基づいて、局在化した凝集体の信号パワースペクトルを導出する。
• 宇宙ひもやドメインウォールへの形式の拡張を行い、状態方程式を自由パラメータとして扱う。
• 地上ベース（LIGO）および低周波（SKAベースのPTA）検出器を含む、異なる周波数帯域への適応を図る。
• LISA、LIGO、PTAの感度曲線（例：LISA、LIGO、PTA）を用いて、さまざまなダークマター構造の検出可能閾値を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LISAなどの重力波検出器は、干渉計ノードの重力的摂動を通じてダークマター凝集体を検出可能か？
• RQ2 重力場プロファイルを考慮した場合、宇宙ひもやドメインウォールが重力波検出器でどの程度検出可能か？
• RQ3 将来的な重力波実験は、小スケールのダークマターパワースペクトル揺らぎに対してどの程度感度を持つのか？
• RQ4 現在の設計を上回る中程度の感度向上があれば、凝集体、ひも、ドメインウォールが観測可能になるか？
• RQ5 トポロジカル欠陥の状態方程式は、その検出可能性を決定づける役割を果たすか？

主な発見

• LISAは、10^15 g以上の質量を持つダークマター凝集体が、検出器から約10^6 km以内を通過する場合、検出可能である可能性がある（速度および接近パラメータに依存）。
• 宇宙ひもやドメインウォールは、線密度または表面エネルギー密度が10^12 GeV²を超える場合、検出可能である可能性がある（運動状態および幾何構造に依存）。
• LIGOなどの地上ベース検出器は、中程度の感度向上を仮定すれば、10^18–10^20 g程度の凝集体を探索可能である。
• アストロノミカルなパルサータイミングアレイ（SKAベース）は、エネルギー密度が10^10–10^12 GeV²程度のドメインウォールやひもを検出可能である可能性がある。
• 局所的なダークマターパワースペクトル揺らぎへの感度は限定的であるが、長時間の積算とノイズ抑制の向上により、原理的には測定可能である。
• この手法はモデルに依存せず、重力的相互作用のみに依存するため、さまざまなダークマター候補に広く適用可能である。