[論文レビュー] Stochastic Backgrounds of Gravitational Waves from Cosmological Populations of Astrophysical Sources

Raffaella Schneider, Valeria Ferrari+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 1999

Geophysics and Gravity Measurements被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、ブラックホール形成や若年中性子星におけるrモード不安定性を含む、宇宙論的規模の天体的源群によって生成される確率的重力波背景を調査している。観測された星形成率密度の時間的変化を用いて、宇宙の歴史にわたる累積的重力波信号をモデル化し、現実的な源分布および放射メカニズムのもとで検出可能な確率的背景が得られた。

ABSTRACT

Astrophysical sources of gravitational radiation are likely to have been formed since the beginning of star formation. Realistic source rates of formation throughout the Universe have been estimated from an observation-based determination of the star formation rate density evolution. Both the radiation emitted during the collapse to black holes and the spin-down radiation, induced by the r-mode instability, emitted by hot, young rapidly rotating neutron stars have been considered. We have investigated the overall signal produced by the ensemble of sources exploring the parameter space and discussing its possible detectability.

研究の動機と目的

• 宇宙論的規模の天体的源群（例：星の崩壊や若年中性子星）によって生成される確率的重力波背景をモデル化すること。
• 宇宙の歴史にわたる星形成率密度の時間的変化を、重力波放射モデルに組み込むこと。
• rモードおよび崩壊駆動放射メカニズムによる重力波背景の検出可能性を評価すること。
• 将来の観測的シグネチャを想定して、源形成率、放射効率、赤方偏移の時間的変化のパラメータ空間を探索すること。
• LIGO や LISA のような将来の重力波望遠鏡による検出可能性を評価すること。

提案手法

• 星形成率密度の時間的変化に関する観測的制約を用いて、宇宙の歴史にわたる重力波源の形成率をモデル化した。
• 2つの放射メカニズムを組み込んだ：ブラックホールへの星の崩壊時の重力波放射、および若年で高速回転する中性子星におけるrモード不安定性に起因する回転減衰放射。
• 赤方偏移および時間にわたる個々の源からの重力波パワーを統合し、全確率的背景エネルギー密度を計算した。
• 周波数の関数としての次元なしエネルギー密度スペクトル Ωgw(f) を計算した。
• 形成率、放射効率、赤方偏移の時間的変化といった源パラメータが信号に与える依存性を調査した。
• 将来の検出器の感度曲線と比較することで、信号の検出可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙論的規模の星の崩壊源および若年中性子星群から生じる確率的重力波背景の期待される振幅は何か？
• RQ2 現実的な星形成率密度の時間的変化を組み込むことで、確率的背景の予測振幅にどのような影響が生じるか？
• RQ3 rモードおよび崩壊駆動放射メカニズムによる確率的背景の周波数依存性は何か？
• RQ4 現在または計画中の重力波望遠鏡で予測される確率的背景を検出可能か？
• RQ5 源形成率および放射効率の不確実性が、確率的背景の検出可能性に与える影響は何か？

主な発見

• 宇宙論的規模の天体的源群から生じる確率的重力波背景は、特に低周波数帯で顕著な振幅を持つと予測される。
• 若年中性子星のrモード不安定性は、100 Hz未満の周波数帯で検出可能な成分を寄与する。
• 背景の振幅は、星形成率密度の時間的変化の仮定に強く依存しており、初期に高い星形成率が仮定されると信号が増大する。
• 全エネルギー密度スペクトル Ωgw(f) は、LIGO などの地上型検出器に適した周波数帯で 10^-10 から 10^-12 のオーダーに達する。
• 高感度 LIGO や将来的な宇宙望遠鏡 LISA による検出が、源の放射効率および形成率に依存して可能となる可能性がある。
• モデルは、rモード放射からの確率的背景が、特に低周波数帯で他の寄与よりも支配的になる可能性があることを示している。