[論文レビュー] Stochastic backgrounds of gravitational waves

Michele Maggiore|ArXiv.org|Aug 11, 2000

Geophysics and Gravity Measurements参考文献 2被引用数 14

ひとこと要約

この論文は、重力波の確率的背景の検出に関する理論的・実験的状況をレビューし、非常に初期の宇宙における物理学を明らかにする可能性に焦点を当てる。共振バー、地上干渉計、LISAを含む検出器の感度を評価し、将来の装置がエネルギー密度を $ h_0^2\Omega_{\rm gw} \sim 10^{-5} $ まで探査可能であることを示している。インフレーション、弦宇宙論、宇宙ひも、相転移からの主要な理論的予測は、検出可能範囲内またはその近辺に位置している。

ABSTRACT

We review the motivations for the search of stochastic backgrounds of gravitational waves and we compare the experimental sensitivities that can be reached in the near future with the existing bounds and with the theoretical predictions.

研究の動機と目的

• 初期宇宙を調べるための確率的重力波背景の探索の科学的動機を評価すること。
• 現在のおよび計画中の重力波検出器の感度を理論的予測と既存の観測制限と比較すること。
• 赤方偏移に依存しない量である $ h_0^2\Omega_{\rm gw}(f) $ を用いて確率的背景を特徴付けること。
• インフレーション、宇宙ひも、相転移を含むさまざまな宇宙論的および天体物理学的源の検出可能性を評価すること。
• 宇宙論的および天体物理学的確率的背景の違いを明確にし、将来的な検出に与える影響を明らかにすること。

提案手法

• 次元なしエネルギー密度 $ \Omega_{\rm gw}(f) $ を用いて確率的重力波背景を特徴付け、$ H_0 $ の不確実性を除去するため $ h_0^2\Omega_{\rm gw}(f) $ に正規化する。
• 横方向トレースレスゲージにおけるフーリエ振幅のアンサンブル平均から導かれるスペクトル密度 $ S_h(f) $ を用いて、確率的信号をモデル化する。
• 信号対雑音比を計算するために、単一および相関検出器のパターン関数と相関技術を適用する。
• 検出器のストレイン感度 $ h_{\rm sens} $ を評価し、理論的予測と観測制限とを比較する。
• ビッグバンヘリウム合成、ミリ秒パulsar、COBEからの制限を分析して $ h_0^2\Omega_{\rm gw} $ を制約する。
• インフレーション、弦宇宙論、宇宙ひも、一次相転移などの理論モデルを、検出器の感度と既存の限界と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 確率的重力波背景の主な宇宙論的および天体物理学的源は何か？
• RQ2 現在および将来の検出器の感度は、$ h_0^2\Omega_{\rm gw} $ に対する理論的予測と比べてどうか？
• RQ3 さまざまな周波数で、確率的重力波背景の振幅を制限する観測的制限は何か？
• RQ4 将来的なデータにおいて、宇宙論的および天体物理学的確率的背景をどのように区別できるか？
• RQ5 確率的背景の検出閾値は何か？また、どのモデルが近い将来の装置で検出可能か？

主な発見

• 核合成の制限により、$ f \sim 10^{-16} $ Hz で $ h_0^2\Omega_{\rm gw}(f) < 7 \times 10^{-14} $ と制限され、非常に初期の宇宙モデルを制約する。
• ミリ秒パulsarのタイミング制限により、$ f \sim 10^{-16} $ Hz で $ h_0^2\Omega_{\rm gw} < 10^{-14} $ と強く制限される。
• COBEデータは、$ f \sim 10^{-16} $ Hz で $ h_0^2\Omega_{\rm gw} < 10^{-14} $ を制限し、核合成およびパulsarの制限と整合的である。
• LISAおよび2世代目地上干渉計は、$ h_0^2\Omega_{\rm gw} \sim 10^{-5} $ を探査可能であり、エネルギー密度の5桁分の新たな範囲をカバーする。
• インフレーションモデルは、LISAですらも検出しきれないレベルの $ h_0^2\Omega_{\rm gw} $ を予測する。
• 宇宙ひもおよび一次相転移は、望ましいパrameter選択のもとで検出可能な信号を生成可能であり、一部のモデルではLISA周波数で $ h_0^2\Omega_{\rm gw} \sim 10^{-10} $ に達する。