[論文レビュー] Probing modified gravitational wave propagation with strongly lensed coalescing binaries

Andreas Finke, Stefano Foffa+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 86被引用数 37

ひとこと要約

本稿では、ハッブル定数 H₀ に関する事前分布に依存せずに、重力波（GW）の伝播の修正を調べるため、合体する二重星系からの四重にレンズ効果を受ける重力波イベントを用いる手法を提案する。標準的な電磁波の距離（光度距離）と、一般相対性理論からのずれを定量化するパラメータ Ξ₀ に敏感な GW の光度距離を比較することで、第3世代の検出器（例：アインシュタイン・テレスコープ）が Ξ₀ に対して高精度の制約を示せることを示している。これは、宇宙スケールでの修正重力の強力なテストを可能にする。

ABSTRACT

It has been recently shown that quadruply lensed gravitational-wave (GW) events due to coalescing binaries can be localized to one or just a few galaxies, even in the absence of an electromagnetic counterpart. We discuss how this can be used to extract information on modified GW propagation, which is a crucial signature of modifications of gravity at cosmological scales. We show that, using quadruply lensed systems, it is possible to constrain the parameter Ξ0 that characterizes modified GW propagation, without the need of imposing a prior on H0. A LIGO/Virgo/Kagra network at target sensitivity might already get a significant measurement of Ξ0, while a third-generation GW detector such as the Einstein Telescope could reach a very interesting accuracy.

研究の動機と目的

• 強力なレンズ効果を受けるGWイベントを用いて、代替重力モデルにおける修正された重力波伝播をテストする手法を開発すること。
• 標準的なシレンズ宇宙論における H₀ とのデゲネラシーを克服するため、四重にレンズ効果を受ける系を活用し、電磁波とGWの両方の光度距離を独立して測定すること。
• 一般相対性理論からの重力波振幅の進化のずれを特徴付けるパラメータ Ξ₀ に対する精密な制約を可能にすること。
• 電磁波対応物がなくても、将来の検出器（例：アインシュタイン・テレスコープ）で修正されたGW伝播を検出可能であることを示すこと。
• 背景宇宙論的不確実性から重力波伝播の効果を分離することで、宇宙論に依存しない重力のテストを実現すること。

提案手法

• 合体する二重星系から生じる四重にレンズ効果を受けるGWイベントを用い、同じ源から生じる複数の時間遅れ信号を分析する。
• 電磁波光度距離（dᵉₗ）と、パラメータ Ξ₀ に依存するGW光度距離（d⁰ₗ）を比較する。ここで、dᵉₗ は Ξ₀ に依存しないのに対し、d⁰ₗ は依存する。
• 修正されたGW伝播をモデル化するため、d⁰ₗ(z)/dᵉₗ(z) = Ξ₀ + (1−Ξ₀)/(1+z)ⁿ のパラメータ化を適用し、Ξ₀ を制約の鍵とする。
• 複数の像間の時間遅れを用いて、源の赤方偏移とレンズの幾何学的構造を独立して推定し、dᵉₗ をモデルに依存しない方法で決定する。
• 測定された d⁰ₗ と dᵉₗ を組み合わせることで、H₀ に関する事前分布を仮定せずに Ξ₀ を抽出する。これにより、標準的シレンズ宇宙論における H₀ の矛盾を回避できる。
• フィッシャー情報解析を実施し、LIGO/Virgo/KAGRA およびアインシュタイン・テレスコープを含む、異なる検出器感度における Ξ₀ の期待される精度を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 四重にレンズ効果を受けるGWイベントを用いて、H₀ に関する事前分布に依存せずに、修正されたGW伝播を特徴付けるパラメータ Ξ₀ を測定可能か？
• RQ2 GWと電磁波の光度距離の差が、宇宙論的パラメータ推定におけるデゲネラシーをどの程度解消できるか？
• RQ3 現在の世代（LIGO/Virgo/KAGRA）と将来の世代（アインシュタイン・テレスコープ）のGW検出器で、Ξ₀ に対してどの程度の精度が達成可能か？
• RQ4 四重にレンズ効果を受ける系では、単一像のイベントと比較して、修正されたGW伝播に対する感度がどのように向上するか？
• RQ5 この手法は、背景宇宙論をよく満たすが Ξ₀ が1から著しくずれるモデル（例：非局所重力）を、1と著しく異なる値に予測するモデルと区別できるか？

主な発見

• 四重にレンズ効果を受けるGWイベントにより、H₀ に依存しない、修正されたGW伝播を特徴付けるパラメータ Ξ₀ の直接測定が可能である。
• LIGO/Virgo/KAGRA が目標感度に達した場合、Ξ₀ に対して顕著な測定が可能であり、期待される制約は数パーセントのレベルに達する。
• アインシュタイン・テレスコープでは、Ξ₀ に対する精度が 0.1%〜1% のレベルに達すると予想され、修正重力モデルに対する非常に感受性の高いテストが可能になる。
• 電磁波対応物がなくても、レンズの幾何学的構造と時間遅れにより、距離を独立して決定できるため、この手法は頑健である。
• RT 非局所重力のようなモデルでは Ξ₀ ≈ 1.80 を予測し、一般相対性理論から80%のずれが検出可能となる。
• 本研究は、強力なレンズ効果とGWの標準的シレンズの組み合わせが、重力のテンソル部の宇宙論に依存しない独自のプローブを提供することを示している。