[論文レビュー] Probing Fundamental Physics with Gravitational Waves

Zack Carson|arXiv (Cornell University)|May 10, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 481被引用数 3

ひとこと要約

本学位論文は、二重ブラックホールおよび中性子星合体からの重力波が、核物質の性質（潮汐歪み率を通じて）と一般相対性理論の検証（波形の一貫性とBeyond-Kerr計量を通じて）という基礎物理学をどのように探るかを調査する。中性子星の状態方程式に関する新たな制約を導出し、Kerrブラックホールからのずれをモデル化するパラメータ化された計量を開発することで、将来のマルチバンドおよびマルチメッセンジャー観測による検証を可能にする。

ABSTRACT

The explosive coalescence of two black holes 1.3 billion light years away has for the very first time allowed us to peer into the extreme gravity region of spacetime surrounding these events. With these maximally compact objects reaching speeds up to 60% the speed of light, collision events such as these create harsh spacetime environments where the fields are strong, non-linear, and highly dynamical -- a place yet un-probed in human history. On September 14, 2015, the iconic chirp signal from such an event was registered simultaneously by both of the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detectors -- by an unparalleled feat of modern engineering. Dubbed "GW150914", this gravitational wave event paved the way for an entirely new observing window into the universe, providing for the unique opportunity to probe fundamental physics from an entirely new viewpoint. Since this historic event, the LIGO/Virgo collaboration (LVC) has further identified ten additional gravitational wave signals in its first two observing runs, composed of a myriad of different events. Important among these new cataloged detections is GW170817, the first detection of gravitational waves from the merger of two neutron stars, giving way to new insight into the supranuclear physics resident within. This thesis explores this new unique opportunity to harness the information encoded within gravitational waves in regards to their source whence they came, to probe fundamental physics from an entirely new perspective. Part A focuses on probing nuclear physics by way of the tidal information encoded within gravitational waves from binary neutron star mergers. Part B focuses on testing general relativity from such events by way of the remnants of such spacetime encoded within the gravitational wave signal.

研究の動機と目的

• 二重中性子星合体からの重力波に含まれる潮汐歪み率情報を用いて、核物質の状態方程式を制約すること。
• GW170817からの制約を組み込むことで、中性星の観測量（質量、半径、潮汐歪み率）の間のユニバーサル関係を改善すること。
• 重力波信号のアプローチ段階とリングダウン段階の間の一貫性を検証することで、一般相対性理論の強い重力場における検証を行うこと。
• Kerrブラックホールからのずれをモデル化する新しいパラメータ化されたBeyond-Kerr計量を開発し、観測可能な効果を予測すること。
• 宇宙望遠鏡と地上望遠鏡の間のマルチバンド検出を用いて、将来の重力理論の検証を可能にすること。

提案手法

• 二重中性子星合体からの重力波信号を分析し、潮汐歪み率パラメータを抽出すること。
• ベイズ推論を用いて、潮汐歪み率を対称エネルギーおよびその傾きといった核物質パラメータと結びつけること。
• 中性星の質量、半径、潮汐歪み率の間のユニバーサル関係を適用し、パラメータ推定の精度を向上させること。
• Post-Newtonian波形とリングダウンモードを比較することで、一般相対性理論のパラメータ化された検証を行うこと。
• 自由パラメータを有する一般計量を構築し、Kerr解からのずれを記述する非Kerrブラックホール候補をモデル化すること。
• 将来的なEvent Horizon Telescope観測に向け、Beyond-Kerr計量の観測的効果（光リングやシャドウの形状のずれなど）をシミュレートすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GW170817および将来の検出から得られる潮汐情報により、核物質の状態方程式にどの程度の制約を課すことができるか？
• RQ2 中性星の観測量の間の改善されたユニバーサル関係は、重力波天文学におけるパラメータ推定をどのように向上させるか？
• RQ3 二重ブラックホール合体からの重力波信号のアプローチ段階とリングダウン段階が、一般相対性理論の予測とどの程度一致するか？
• RQ4 パラメータ化された方法でKerr計量から逸脱する場合、ブラックホールの時空構造にどのような観測可能なシグネチャーが現れるか？
• RQ5 将来的な宇宙望遠鏡と地上望遠鏡の間のマルチバンド重力波検出は、一般相対性理論を超えた重力理論の検証をどの程度向上させるか？

主な発見

• GW170817からの潮汐歪み率測定は、高密度核物質における対称エネルギーおよびその傾きに関する新たな制約を提供する。
• 中性星の質量、半径、潮汐歪み率の間の改善されたユニバーサル関係が導出され、将来の観測におけるパラメータ推定のデゲネラシーが低減される。
• アプローチ段階とリングダウン段階の間の一貫性検証により、スカラータンジェント理論やChern-Simons重力といった代替重力理論に対する強い制約が得られる。
• パラメータ化されたBeyond-Kerr計量は、光リングおよびシャドウの形状に測定可能なずれを予測し、Event Horizon Telescopeで検出可能である可能性がある。
• 複数イベントのスタッキングおよび宇宙望遠鏡と地上望遠鏡の間のマルチバンド観測により、一般相対性理論からのずれに対する感度が著しく向上する。
• このフレームワークにより、将来の検出器からの重力波データを用いて、ブラックホールの一意性およびノーヘア定理の定量的検証が可能になる。