[論文レビュー] Simultaneous observation of gravitational and electromagnetic waves

Vincenzo Branchina, Manlio De Domenico|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2016

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、LIGOとフェルミがそれぞれ重力波（GW150914）と短いガンマ線バーストを同時に検出したことを利用し、量子重力のシナリオについてモデルに依存しない分析を実施している。その結果、量子重力スケールがプランクスケール未満に著しく低下する場合を除き、光速粒子（光子または重力子）を1つ以上持つモデルのみが妥当であることが判明した。これにより、前例のない高い精度の制約が得られた：|1−v_g⁰/c|≤10⁻⁴⁰ および |v_γ⁰−v_g⁰|≤c×10⁻²²。

ABSTRACT

Assuming that the short gamma-ray burst detected by the Fermi Gamma-Ray Space Telescope about 0.4 seconds after the gravitational waves observed by the LIGO and VIRGO Collaborations originated from the same black hole merger event, we perform a model-independent analysis of different quantum gravity scenarios based on (modified) dispersion relations (typical of quantum gravity models) for the graviton and the photon. We find that only scenarios where at least one of the two particles is luminal (the other being sub- or super-luminal) are allowed, while scenarios where none of the two particles is luminal are ruled out. Moreover, the physical request of having acceptable values for the quantum gravity scale imposes stringent bounds on the difference between the velocities of electromagnetic and gravitational waves, much more stringent than any previously known bound.

研究の動機と目的

• 同じ天体物理学的イベントから発生した重力波と短いガンマ線バーストの同時検出を用いて、量子重力モデルを検証すること。
• 修正された分散関係を用いて、重力波と電磁波の速度差を制約すること。
• 重力子と光子の両方が超光速または亜光速であるようなシナリオが、観測結果およびプランクスケールの量子重力スケールと整合するかどうかを特定すること。
• 到着時間の差に基づいて、量子重力エネルギー スケールの厳密な制約を導出すること。
• ブラックホール合体によって短いガンマ線バーストを生成する天体物理学的モデルが、これらの制約のもとで妥当であるかどうかを評価すること。

提案手法

• 重力子と光子の修正された分散関係を用い、量子重力スケール E_QG と補正項のべき乗 n でパrameter化する。
• 重力波とガンマ線バーストの検出間隔が0.4秒であることに基づき、到着時間差分析を適用する。
• 理論的発生遅延 Δt_e を観測された Δt_a ≈ 0.4 s と比較し、宇宙論的赤方偏移を補正する。
• 表1の複数の量子重力シナリオ（E, F, H, I）を対象に、n や E_QG を変化させたモデルに依存しない分析を実施する。
• 物理的制約を課す：E_QG ≥ M_Pl c² ≈ 1.2×10¹⁹ GeV であり、理論的遅延が観測誤差範囲内に収まる必要がある。
• 理論的予測が0.4秒の観測ウィンドウ内に収まるようにすることで、速度差の上界を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力子と光子の両方が光速でない量子重力モデルは、GW150914とフェルミのガンマ線バーストの間の0.4秒の遅延と整合するか？
• RQ2 量子重力スケールがプランクスケール以上であると仮定した場合、重力波の速度に対する最も厳しい制約は何か？
• RQ3 光子が非光速であると仮定すると、重力波と電磁波の間の許容される速度差はどの程度になるか？
• RQ4 ローレンツ不変性の破れを仮定した場合、観測された時間遅延から導かれる量子重力スケール E_QG の下限は何か？
• RQ5 ブラックホール合体によって短いガンマ線バーストを生成する天体物理学的モデルは、これらの新しい制約のもとで妥当であるか？

主な発見

• 重力子と光子の両方が非光速であるシナリオは、量子重力スケールが E_QG ≲ 10¹³ GeV にまで低下する場合を除き、排除される。これはプランクスケールから著しく低い値である。
• 重力子が非光速であり、E_QG ≥ M_Pl c² であると仮定した場合、重力波の速度は |1−v_g⁰/c|≤10⁻⁴⁰ を満たす必要があり、これは従来の限界よりも5桁も厳しい制約である。
• 光子が非光速であると仮定した場合、光子と重力子の速度差は |v_γ⁰−v_g⁰|≤c×10⁻²² に制限され、これも従来の限界よりも5桁も厳しい。
• E_QG ≥ M_Pl c² を仮定した場合、少なくとも1つの光速粒子（光子または重力子）を持つモデルのみが妥当である。
• 観測された0.4秒の遅延は、ブラックホール合体から発生するガンマ線バーストの発生遅延モデルを強く制約し、妥当な天体物理学的メカニズムを限定する。
• 理論的発生遅延曲線が許容可能な観測領域に入るのは、プランクスケールより数桁も低い E_QG に低下する場合に限る。