[論文レビュー] Sensitivity of Astrophysical Observations to Gravity-Induced Wave Dispersion in Vacuo

Giovanni Amelino-Camelia, John Ellis+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 1998

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、重力誘発波の分散に起因するエネルギー依存性光速の変化を原因とする量子重力効果が光子の伝播に与える影響を調査している。ガンマ線バーストおよび活動銀河からの天体観測を用いて、このような分散に制約を課し、GRB 920229のデータが最もきつい制約を与えることが判明した。その感度はプランクスケールのエネルギー閾値に達している。

ABSTRACT

We discuss possible signatures of quantum gravity for the propagation of light, including an energy-dependent velocity (refractive index), dispersion in velocity at a given energy, and birefringence. We also compare the sensitivities of different astrophysical observations, including BATSE data on GRB 920229, BeppoSAX data on GRB 980425, the possible HEGRA observation of GRB 920925c, and Whipple observations of the active galaxy Mrk 421. Finally, we discuss the prospective sensitivities of AMS and GLAST.

研究の動機と目的

• 天体観測が量子重力に起因する光子伝播における分散にどれほど感度を持っているかを評価すること。
• BATSE、BeppoSAX、HEGRA、Whippleのさまざまな観測データセットからの制約を比較すること。
• AMS や GLAST などの将来のミッションが、このような分散効果を検出できる可能性のある感度を評価すること。
• 既存の高エネルギー天体物理学的データを用いて、重力誘発波分散に対して最も厳しい制約を求める。
• エネルギー依存性光速が量子重力の現象論に与える影響を検討すること。

提案手法

• ガンマ線バースト（GRBs）からの異なるエネルギーの光子の到着時間遅れを分析し、エネルギー依存性伝播を検出する。
• 真空中の屈折率が光子エネルギーに依存する分散モデルを適用し、速度差を生じさせる。
• 高エネルギーでマルチチャネル観測が可能なため、BATSE の GRB 920229 データを主要なデータセットとして使用する。
• BeppoSAX（GRB 980425）、HEGRA（GRB 920925c）、Whipple（Mrk 421）の観測結果を比較し、相対的な感度を評価する。
• AMS や GLAST といった将来の実験の期待される感度を、エネルギー分解能および検出能力に基づいて評価する。
• 量子重力および有効場理論の理論的枠組みを用いて、真空中分散効果をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の天体観測は、量子重力が予測するエネルギー依存性光子速度にどれほど感度を持っているか？
• RQ2 どの観測データセットが、真空中の重力誘発波分散に対して最もきつい制約を与えるか？
• RQ3 ガンマ線バーストや活動銀河などの異なる天体源は、分散効果の検出においてどのように感度を発揮するか？
• RQ4 AMS や GLAST などの将来のミッションが、このような分散効果に対してどの程度の感度を示すと予想されるか？
• RQ5 現在の観測データを用いて、バイレフリングエンスやその他の偏光依存効果を制約できるか？

主な発見

• BATSE が GRB 920229 から得たデータが、重力誘発波分散に対して最もきつい制約を与え、プランクスケールに達する感度を示している。
• 量子重力効果のスケールに対する下限が設定され、エネルギー依存性分散が約 10^19 GeV よりも小さいことが示唆されている。
• HEGRA が GRB 920925c を観測した結果は、エネルギー分解能と信号対雑音比が低いことから、BATSE よりも緩い制約となっている。
• Whipple が Mrk 421 を観測した結果は、光子エネルギーが低く、伝播距離が長いことから、分散効果に対して感度が低い。
• BeppoSAX が GRB 980425 を観測したデータは中程度の制約を与えるが、機器的およびスペクトル的制限のため、BATSE よりも感度が低い。
• AMS や GLAST といった将来のミッションは、感度を数個のオーダー改善し、より正確にプランクスケール物理学を調べられるようになると予想される。