[論文レビュー] Tests of General Relativity and Fundamental Physics with Space-based Gravitational Wave Detectors

Emanuele Berti, Enrico Barausse+15 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 10

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、LISA のような宇宙ベースの重力波検出器が、質量ブラックホール合体および極端質量比降下（EMRI）の高SNR観測を通じて、強力な重力場領域における一般相対性理論の精密検証と基礎物理学の探求を可能にすると提案している。検出器がサブ0.1％の精度で重力を探査できること、超軽量ボソン的ダークマター場を制約できること、そしてスピン・離心率・確率的背景測定を通じて原始ブラックホールダークマターのシナリオを探査できることを示している。

ABSTRACT

Low-frequency gravitational-wave astronomy can perform precision tests of general relativity and probe fundamental physics in a regime previously inaccessible. A space-based detector will be a formidable tool to explore gravity's role in the cosmos, potentially telling us if and where Einstein's theory fails and providing clues about some of the greatest mysteries in physics and astronomy, such as dark matter and the origin of the Universe.

研究の動機と目的

• 宇宙ベースの重力波検出器が、強力な重力場領域における一般相対性理論の精密検証ツールとしての科学的根拠を確立すること。
• 宇宙ベースの観測所が、一般相対性理論を超えた基礎物理学、特に修正重力理論やブラックホールに結合する量子場をどのように探査できるかを検討すること。
• 宇宙ベースの検出器が、超軽量ボソン的ダークマター場を、超放射不安定性およびブラックホールスピン測定を通じて制約できることを示すこと。
• 原始ブラックホール二重星と星起源二重星を、離心率・スピン・質量スペクトル測定によってどのように区別できるかを調査すること。
• LISAが原始ブラックホール合体および原始的曲率摂動に起因する確率的重力波背景にどの程度感度を持つのかを評価すること。

提案手法

• LISA などの宇宙ベース干渉計で検出可能な、質量ブラックホール合体および極端質量比降下（EMRI）からの高SNR（SNR > 100）重力波信号を活用する。
• 一般相対性理論の修正が重力波生成・伝播・ブラックホール時空構造・力学に与える影響をモデル化する。これには、強い等価原理の破れや重力的ローレンツ対称性の破れが含まれる。
• 高次曲率項を含む代替重力理論が予測するブラックホール時空のずれをテストする基準として、カー時空を用いる。
• 超放射不安定性理論を適用し、回転するブラックホール周囲にボソン雲が形成され、周波数 f ∼ ms/ħ で重力波が放射されることを予測する。
• 原始ブラックホール二重星および原始的曲率摂動に起因する確率的重力波背景を、2点および3点相関関数を用いて分析し、ダークマターのシナリオを探査する。
• 将来の重力波スピン測定と電磁気的スピン測定（例：連続スペクトルフィッティング、Fe Kα線）を組み合わせ、超軽量ボソンの質量範囲を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙ベースの重力波検出器は、サブ0.1％の精度で、現在の地上検出器の限界を上回る、強力な重力場領域における一般相対性理論の精密検証を実現できるか？
• RQ2 超放射不安定性およびブラックホールスピン測定を通じて、宇宙ベースの検出器が超軽量ボソン的ダークマター場の存在をどの程度まで制約できるか？
• RQ3 二重ブラックホール系の離心率・スピン・質量スペクトル測定は、原始ブラックホール二重星と星起源二重星を区別するためにどのように利用できるか？
• RQ4 LISAは、原始ブラックホール合体および原始的曲率摂動に起因する確率的重力波背景をmHz帯で検出または制約できるか？
• RQ5 高められた超放射不安定性を示す仮説的なダークフォトンや質量のある重力子の質量にどのような制約を課すことができるか？

主な発見

• LISA などの宇宙ベース検出器は、サブ0.1％の精度で一般相対性理論の精密検証が可能であり、現在の地上検出器の検出精度を100〜1000倍も向上させる。
• LISA は、ms ∼10−19–10−15 eV の範囲の超軽量ボソン質量を探査でき、地上検出器では到達できない領域をカバーし、ストリング理論のアキシバースや不確かダークマターのシナリオに必要な質量領域をカバーする。
• 宇宙ベースの重力波検出器によるブラックホールスピン測定は、ms ∼10−16–10−13 eV の質量範囲の軽量スカラー場の制約または検出を可能にし、電磁観測では到達できない領域をカバーする。
• 極端質量比降下からの重力波の検出により、最大10^4–10^5回の重力波サイクルを測定可能となり、極めて高精度な天体物理学的および基礎物理学的測定が可能になる。
• LISA は、離心率およびスピン分布の測定により、原始ブラックホール二重星の形成メカニズムと星起源のメカニズムを区別でき、高赤方偏移・低星形成率の合体イベントに対して高い感度を示す。
• LISA は、原始ブラックホールダークマターの poorly constrained 質量範囲（10−13–10−11 M⊙）に対応するmHz帯周波数窓に独自に感度を示し、確率的背景の2点および3点相関関数を用いたテストが可能になる。