[論文レビュー] Revisiting time delay interferometry for unequal-arm LISA and TAIJI

G. Wang, Wei-Tou Ni|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 64被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、非等長アームを有するLISAおよびTAIJIミッションにおける時間遅延干渉計測定法（TDI）を再検討し、数値的軌道データを用いて1st世代TDI構成の性能を評価する。その結果、TDIのTチャネルは10 mHz未満の低周波数帯で等長アーム時の性能から逸脱し、アーム長の不一致に起因するレーザー光路の不一致により感度が低下することが判明。レーザー安定性が1〜2桁向上しない限り、残存レーザーノイズはミッション要件を上回る。

ABSTRACT

Three spacecraft of LISA/TAIJI mission follow their respective geodesic trajectories, and their interferometric arms are unequal and time-varying due to orbital dynamics. Time-delay interferometry (TDI) is proposed to suppress the laser frequency noise caused by the unequal-arm. By employing the numerical orbit, we investigate the sensitivity of the first-generation TDI configurations and their corresponding optimal A, E, and T channels. The sensitivities of T channels from Michelson and Monitor/Beacon configurations diverge from the equal-arm case in frequencies lower than 10 mHz, and their performances vary with the inequality of the arm lengths. The mismatches of the laser beam paths are evaluated in a dynamic case, and the residual laser noise in the first-generation TDI could not satisfy the mission requirement.

研究の動機と目的

• 数値的軌道データを用いて、非等長アームLISAおよびTAIJIミッションにおける1st世代TDI構成（A、E、Tチャネル）の感度を評価すること。
• アーム長の不一致と時間変化する軌道力学が、TDIチャネルにおけるレーザーノイズ抑制に与える影響を調査すること。
• 特にTチャネルにおけるレーザービーム光路不一致が残存レーザーノイズに与える影響を定量化すること。
• 現実的な非等長アーム条件下で、1st世代TDIがミッションレベルのノイズ要件を満たせるかどうかを検証すること。
• 現在のレーザー安定性を前提とした場合、1st世代TDIがミリヘルツ帯重力波検出に実用可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 太陽系重心動力学に基づく数値エフェマリスを用いたLISAおよびTAIJIの軌道を用い、時間変化するアーム長をモデル化する。
• 1st世代TDI形式を適用し、最適なA、E、Tチャネルを構築する。干渉測定値の時間遅延結合に関する解析的表現を用いる。
• 3つのノイズ源（レーザー周波数ノイズ、加速度ノイズ、光計測ノイズ）をモデル化し、周波数依存のパワー スペクトル密度（PSD）を設定する。
• 時間遅延干渉計測定結合を用いて、各TDIチャネルの重力波応答関数を計算し、方向および偏光依存の信号応答を組み込む。
• 干渉計アーム間の往復光路長を比較することで、TDIチャネルにおけるレーザービーム光路不一致を数値的に評価し、これらの不一致に起因する残存レーザーノイズを定量化する。
• レーザー、加速度、光計測ノイズの寄与を含む総ノイズPSDと重力波応答関数を重み付けすることで、平均感度を合成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LISAおよびTAIJIにおけるアーム長の不一致が、特にTチャネルの1st世代TDIチャネルの感度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 TDIレーザービームの光路不一致が、非等長アーム構成における残存レーザーノイズ性能をどの程度悪化させるか？
• RQ3 1st世代TDIのA、E、Tチャネルの感度が、低周波数帯（10 mHz未満）で等長アームケースとどの程度逸脱するか？
• RQ4 1st世代TDIは、非等長状況下でも十分にレーザーノイズを抑制できるか。それとも2nd世代TDIが必要となるか？
• RQ5 LISAおよびTAIJIにおける光路不一致に起因する残存レーザーノイズを低減するため、どの程度のレーザー安定性の向上（Hz/√Hz単位）が必要か？

主な発見

• 1st世代TDIのTチャネルは、10 mHz未満の周波数帯で等長アーム時の性能と比較して顕著な感度低下を示す。特にアーム長の不一致に起因する。
• TDIチャネルにおけるレーザー光路不一致は残存レーザーノイズを増加させ、レーザー安定性が0.3〜3 Hz/√Hzに1〜2桁向上しない限り、ミッション要件を上回る。
• TAIJIでは、LISAに比べてアームが20%長く、相対速度が20%高いことから、光路不一致に起因する残存レーザーノイズはLISAに比べて約40%高い。
• Tチャネルの感度はAおよびEチャネルよりもアーム長の不一致に対してより感受性が高く、低周波数帯でのノイズ特徴付けのためのヌルストリームとしての信頼性が低い。
• 光路不一致はアーム長が短く、相対速度が低いほど減少するため、10⁴ kmアームを有する短いアームミッション（例：AMIGO）では、1st世代TDIで十分なレーザーノイズ抑制が達成可能であると考えられる。
• 2nd世代TDIは、過去の関連する数値研究でも示されたように、残存レーザーノイズを克服する有効な代替手段であり、高いアーム不一致を有する将来的なミッションに推奨される。