[論文レビュー] Space Based Gravitational Wave Astronomy Beyond LISA

John Baker, Simon Barke+21 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 9被引用数 12

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、LISAを凌駕する次世代の宇宙ベースの重力波観測所の技術開発およびミッションコンセプト研究を提唱しており、10⁻⁸ Hzから1 Hzの周波数帯域を対象としている。宇宙空間における重力波の検出を可能にするために、位相測定技術、レーザー安定性、不要光の制御の分野における早期投資を提唱し、宇宙距離に位置する宇宙背景源、中質量ブラックホール二重星系、極端質量比降下系を、1フェムトメーター未満の感度で検出することを可能にする。

ABSTRACT

The Laser Interferometer Space Antenna (LISA) will open three decades of gravitational wave (GW) spectrum between 0.1 and 100 mHz, the mHz band. This band is expected to be the richest part of the GW spectrum, in types of sources, numbers of sources, signal-to-noise ratios and discovery potential. When LISA opens the low-frequency window of the gravitational wave spectrum, around 2034, the surge of gravitational-wave astronomy will strongly compel a subsequent mission to further explore the frequency bands of the GW spectrum that can only be accessed from space. The 2020s is the time to start developing technology and studying mission concepts for a large-scale mission to be launched in the 2040s. The mission concept would then be proposed to Astro2030. Only space based missions can access the GW spectrum between 10 nHz and 1 Hz because of the Earths seismic noise. This white paper surveys the science in this band and mission concepts that could accomplish that science. The proposed small scale activity is a technology development program that would support a range of concepts and a mission concept study to choose a specific mission concept for Astro2030. In this white paper, we will refer to a generic GW mission beyond LISA as bLISA.

研究の動機と目的

• LISAを超える重力波天文学を推進するために、10⁻⁸ Hzから1 Hzの周波数帯域を対象とする将来のミッションに向けた技術の特定と開発を進める。
• 特に20 mHzを超える周波数帯で、1フェムトメーター未満の位相安定性を達成するという、極めて重要な課題に取り組む。LISAが要求するピコメーター（pm）レベルの要件が、この分野では100倍に拡大される。
• 宇宙距離に位置する源、例えば巨大ブラックホール二重星系、中質量ブラックホール二重星系、極端質量比降下系を、宇宙背景にまで及ぶ距離で検出可能にする。
• 2028年までにミッションコンセプトの選定を完了し、2040年代の打ち上げを想定したAstro2030提言を支援する。
• 技術的リスクを低減するため、2020年代に早期段階での技術開発を推進し、特にレーザーシステム、タイミング安定性、不要光の低減に焦点を当てる。

提案手法

• 2020年代に、光学位相測定チェーンにおけるレーザー位相ノイズ、タイミングジッター、強度ノイズの改善を主眼とした技術開発プログラムを実施する。
• 位相測定システム全体を評価・再設計し、レーザーのビート周波数低減と代替クロック比較戦略の検討を進める。
• 回折損失の低減と位相感度の向上を図るため、波長を短くするレーザーの検討を進めるが、同時に高出力化に伴う散乱光の増加にも注意を払う。
• 温度変化に対する感受性が低く、安定性に優れた新しい光学的および電気光学的部品の開発を推進する。特にRFケーブルおよびアナログ・デジタルコンバータに注力する。
• 2段階のミッションコンセプト研究を実施する：最初の段階では候補となる設計と必要な技術を特定し、2028年までに技術成熟度と科学的帰結に基づき絞り込む。
• 技術的ノイズ源が感度に与える影響をモデル化・シミュレーションし、LISAの約1ピコメーター（pm）レベルの要件を、20 mHzを超える周波数帯で約5フェムトメーター（fm）レベルにまで引き上げる見込みを立てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 20 mHzを超える周波数帯で、宇宙ベースの重力波検出器において1フェムトメーター未満の位相安定性を達成するために、どのような技術的進歩が求められるか？
• RQ2 レーザーシステムと位相測定チェーンをどのように再設計すれば、タイミングジッターと位相ノイズを1桁以上低減できるか？
• RQ3 10⁻⁸ Hzから1 Hzの周波数帯域で源を検出可能な最も実現可能性の高いミッションコンセプトは何か？また、それらの間で共通して使われる技術は何か？
• RQ4 高出力レーザー干渉計において、不要光および散乱光をどのように低減・抑制できるか？
• RQ5 2028年までにAstro2030提言に向けたbLISAミッションコンセプトの選定を支援するための、最適なスケジュールと技術開発パスは何か？

主な発見

• bLISAミッションに求められる位相安定性は、LISAの約1ピコメーター（pm）レベルの要件を100倍上回り、20 mHzを超える周波数帯で約5フェムトメーター（fm）レベルの安定性が求められる。
• 位相ノイズとタイミングジッターを低減するため、レーザーシステム全体の再設計が不可欠であり、RFケーブル、アナログ・デジタルコンバータ、光学部品の改善が求められる。
• 高出力化に伴い、不要光への感受性は200倍に増加するため、新たな低減およびキャンセレーション戦略の開発が不可欠となる。
• 2020年代に技術成熟度（TRL）3〜4まで到達させるため、約2000万ドルの技術開発プログラムが必要となる。
• 2028年までのコンセプト絞り込みを支援するため、約200万ドルの2段階のミッションコンセプト研究を推奨する。
• ミッションは、LISAの延長運用に続いて2040年代後半に打ち上げられると想定され、未開拓の10⁻⁸ Hzから1 Hzの周波数帯域を高感度で探索し、宇宙的および銀河的源を検出する。