[論文レビュー] Prospects for Memory Detection with Low-Frequency Gravitational Wave Detectors

Kristina Islo, Joseph Simon+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 20

ひとこと要約

本研究は、低周波数検出器を用いて、超大質量黒坑二重星（SMBHB）合併からの重力波メモリ信号の検出可能性を評価する。低質量二重星および分離半径を含む半アナリティカルな人口モデルを用い、パulsarタイミングアレイ（PTA）は検出可能性が低いが、LISAは4年間のミッション期間中に信号対雑音比（SNR）≥5のメモリイベントを1〜10件検出すると予想され、一般相対性理論の検証や二重星進化の探査に強く期待できる。

ABSTRACT

Gravitational wave memory is theorized to arise from the integrated history of gravitational wave emission, and manifests as a spacetime deformation in the wake of a propagating gravitational wave. We explore the detectability of the memory signals from a population of coalescencing supermassive black hole binaries with pulsar timing arrays and the Laser Interferometer Space Antenna (LISA). We find that current pulsar timing arrays have poor prospects, but it is likely that between 1 and 10 memory events with signal-to-noise ratio in excess of 5 will occur within LISA's planned 4-year mission.

研究の動機と目的

• 低周波数重力波検出器を用いて、超大質量黒坑二重星（SMBHB）合併からの重力波メモリ信号の検出可能性を評価すること。
• ダークマターハローのシミュレーションではなく、銀河の星の質量関数、二重星率、合併時定数といった局所的天体物理学的観測量を用いてSMBHBの人口をモデル化すること。
• 低質量ブラックホール（約10⁵ M☉まで）および高い赤方偏移を含む人口モデルの拡張により、PTAおよびLISAの周波数帯におけるメモリ信号の探索を可能にすること。
• 二重星-ホスト相互作用の分離半径を組み込み、環境的軌道減衰効率をよりよくモデル化すること。
• パulsarタイミングアレイ（PTAs）およびレーザー干渉計宇宙アンテナ（LISA）の感度帯域内での検出可能なメモリイベントの発生率および信号対雑音比（SNR）を推定すること。

提案手法

• 観測可能な銀河の性質（星の質量関数、銀河二重星率、合併時定数）に基づく半アナリティカルな人口合成モデルを用い、SMBHB合併率を推定した。
• 実験的M_BH–M_bulge関係を用いて、ホスト銀河のバルジ質量とブラックホール質量を関連づけ、低質量二重星（M_BH ≳ 10⁵ M☉）への外挿を可能にした。
• 環境的相互作用による二重星軌道減衰効率をモデル化するため、分離半径を組み込んだ。
• 合併中の放射エネルギーの積分を用いてメモリ歪み振幅を計算し、h_mem ∝ ΔE_rad / D と表した。ここでΔE_radは放射エネルギー、Dは共動距離である。
• 実際の感度曲線と人口モデルを用いて、PTAおよびLISA帯域内でのSNR ≥5の検出可能なメモリイベントの年間予想数を計算し、検出率を予測した。
• 環境効率（α）を変化させた複数のモデル（A–C）を用いたシミュレーションを行い、イベント発生率および赤方偏移/質量依存性の不確実性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際の人口モデルと検出器感度を考慮した場合、LISAがSMBHB合併からの重力波メモリイベントをどの程度の頻度で検出可能と予想されるか？
• RQ2 低質量SMBHB（約10⁵ M☉まで）および高赤方偏移系は、検出可能なメモリ信号の人口にどのように寄与するか？
• RQ3 二重星-ホスト相互作用の分離半径の組み込みが、予測される合併率およびメモリ信号の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ4 パulsarタイミングアレイ（PTA）でのメモリ信号検出の可能性はどの程度か？また、イベント発生率およびSNRの観点からLISAと比較してどうか？
• RQ5 M_BH–M_bulge関係における選択バイアスが、検出可能なメモリイベントの予測数にどの程度影響を及ぼすか？また、パラメータ空間を拡張することで検出可能性がどのように向上するか？

主な発見

• LISAは、4年間の計画ミッション期間中に、モデル仮定に応じて信号対雑音比（SNR）≥5の重力波メモリイベントを1〜10件検出すると予想される。
• 最も頻繁に発生するメモリイベントは、換算質量が10³ M☉から10⁶ M☉の間であり、全検出可能なメモリイベントの99％を占める。
• パulsarタイミングアレイ（PTA）は非常に低い検出可能性を示し、最も悲観的なモデルでも、Hubble時間に1回未満の割合でSNR ≥5のメモリイベントが発生する。
• 最も楽観的なPTAのシナリオでも、30年間のデータセットでSNR ≥5のイベントは1世紀に1.7 × 10⁻³件の割合で発生するにとどまる。
• 最も楽観的なLISAモデルでは、SNR ≥5のメモリイベントが1年間に0.3〜2.8件の割合で発生し、強い検出可能性の可能性を示している。
• 低質量二重星（M_BH ≳ 10⁵ M☉）および高赤方偏移系の組み込みにより、観測可能なパラメータ空間が拡張され、こうした源はLISAのターゲットとなる人口を補完し、電磁気的トリガーを伴うメモリ探索を可能にする可能性がある。