[論文レビュー] Probing neutron stars with gravitational waves

B. J. Owen|ArXiv.org|Mar 15, 2009

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 29被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、高感度レーザー干渉計（Advanced LIGO、Virgo、および将来の地下型検出器）による重力波（GW）観測が、中性子星の内部構造を、潮汐歪み、準正規モード、回転または降着中の中性子星からの連続的GW放射を通じて探査可能であると提唱している。主な結果として、中性子星の半径を約1 kmの精度で制約可能であり、核密度の2倍の密度における状態方程式パラメータの制約が得られ、電磁（EM）およびGW同時観測によって、高密度物質および降着トルクバランスの理論的モデルの直接的検証が可能となる。

ABSTRACT

Within the next decade gravitational-wave (GW) observations by Advanced LIGO in the United States, Advanced Virgo and GEO HF in Europe, and possibly other ground-based instruments will provide unprecedented opportunities to look directly into the dense interiors of neutron stars which are opaque to all forms of electromagnetic (EM) radiation. The 10-10000 Hz frequency band available to these ground-based interferometers is inhabited by many neutron star mode frequencies, spin frequencies, and inverse dynamical timescales. GWs can provide information on bulk properties of neutron stars (masses, radii, locations...) as well as microphysics of their substance (crystalline structure, viscosity, composition...), some of which is difficult or impossible to obtain by EM observations alone. The former will tell us about the astrophysics of neutron stars, and the latter will illuminate fundamental issues in nuclear and particle physics and the physics of extremely condensed matter. Although GW searches can be done "blind," they become richer and more informative with input from EM observations; and thus the combination of the two is crucial for learning the most we can about neutron stars. Healthy GW and EM observational programs must be accompanied by vigorous theoretical research on the interface of astrophysics, gravitational physics, nuclear and particle physics in order to extract the most from the observations.

研究の動機と目的

• 重力波（GW）観測が、特に潮汐歪みと連続的GW放射を通じて中性子星の内部構造および状態方程式をどのように探査できるかを特定すること。
• 電磁（EM）観測が、二重合体合体や降着中の中性子星に対して、GW検出感度の向上とGW信号の解釈をどのように支援するかを強調すること。
• 既知の中性子星および一時的現象からのGW科学の最大限の活用を目指し、継続的なEMタイムイング計画と理論的モデリングの推進を提言すること。
• 超流動性、粘性、およびコア内に存在する未知の物質の有無といった中性子星の微視的物理学を制約する上で、GWとEM観測の統合的アプローチの重要性を強調すること。
• GWデータから天体物理学的および素粒子物理学的知見を抽出するため、集団合成、数値シミュレーション、理論的モデリングの連携を促進すること。

提案手法

• 高感度レーザー干渉計（Advanced LIGO、Virgo、GEO HF）を用いて、中性子星合体、星震動、回転または降着中の中性子星からの連続的GW信号を検出する。
• 長期間にわたるEMタイムイングモデルと整合するコherentマッチドフィルタリング手法を用い、特に高いスピンダウンレートまたはグルーチャー活動を示す中性子星からの連続的GW放射を探索する。
• X線バースト振動、電波タイムイング、ガンマ線バーストトリガーなどのEM観測とGWデータを統合することで、信号の局所化を向上させ、検出感度を高め、放射メカニズムを制約する。
• 二重合体の数値相対性理論シミュレーションを用いて、潮汐破壊周波数をモデル化し、中性子星半径と相関づける。また、摂動理論を用いて、軌道位相進化における潮汐効果を予測する。
• マグネタールフレアや星震動からのGW上限値を分析し、クライストルの性質および磁場ダイナミクスを制約するとともに、準正規モード励起モデルの検証を行う。
• 将来の地下型GW検出器を用いて、長期間にわたるrモード振動およびグルーチャー後の流体応答を観測し、高密度物質内の超流動性および輸送係数に関する情報を得る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重中性子星合体波形における折り返し周波数は、中性子星半径を1 km未塔の精度で測定可能か？
• RQ2 二重系の波形で観測された潮汐歪みから、高密度物質の状態方程式にどのような制約が得られるか？
• RQ3 降着中の中性子星からの連続的重力波放射は、rモード不安定性の存在を確認し、コア内に未知の物質が存在する証拠を提供できるか？
• RQ4 重力波と電磁観測を併用することで、特にスピン周波数が不確実な系において、中性子星信号の検出と解釈がどのように向上するか？
• RQ5 EMタイムイングデータは、特に高いスピンダウンレートまたは頻繁なグルーチャーを示す中性子星に対して、コherent重力波探索をどのように可能にするか？

主な発見

• 二重中性子星合体波形における折り返し周波数は、中性子星半径と強く相関しており、半径の測定精度が1 km未塔に達する可能性がある。
• 二重系の軌道位相進化における潮汐効果により、半径の測定精度が1 km未塔に達し、核密度の2倍の密度における圧力の制約が約10%の精度で得られる。
• ブラックホール–中性子星合体信号における前進モードの変調が、ブラックホールが急速に回転している場合、中性子星質量を20%の精度で測定可能である。
• Sco X-1のような降着中の中性子星からの連続的重力波の検出は、GW/降着トルクバランスメカニズムの確認を可能とし、GW周波数とスピン周波数の比を用いて状態方程式を制約する。
• 中性子星のGWとEM同時観測により、静的な楕円度とrモード振動のどちらが放射メカニズムとして支配的かを区別可能であり、rモードの検出はコア内に未知の物質が存在することを示唆する。
• 将来の地下型GW検出器は、グルーチャー後の連続的GW信号（流体内部応答）を観測可能であり、中性子星内部における超流動性および輸送係数に関する直接的情報が得られる。