[論文レビュー] The missing link in gravitational-wave astronomy: A summary of discoveries waiting in the decihertz range

Manuel Arca Sedda, C. P. L. Berry+26 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 144被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、地上型検出器（例：LIGO）と宇宙機関型ミッション（例：LISA）の間の観測ギャップを埋めるために、Decihertz Observatory（DO）を提案する。これにより、中質量ブラックホールの検出、二重中性子星合体の早期警戒信号、一般相対性理論および素粒子物理学の検証が可能になる。DOは0.1–10 Hzの周波数帯で運用され、レーザー干渉計および原子時計技術を活用して、変革的な天体物理学的・基礎物理学的発見に必要な感度を達成する。

ABSTRACT

Since 2015 the gravitational-wave observations of LIGO and Virgo have transformed our understanding of compact-object binaries. In the years to come, ground-based gravitational-wave observatories such as LIGO, Virgo, and their successors will increase in sensitivity, discovering thousands of stellar-mass binaries. In the 2030s, the space-based LISA will provide gravitational-wave observations of massive black holes binaries. Between the $\sim 10$-$10^3~\mathrm{Hz}$ band of ground-based observatories and the $\sim10^{-4}$-$10^{-1}~\mathrm{Hz}$ band of LISA lies the uncharted decihertz gravitational-wave band. We propose a Decihertz Observatory to study this frequency range, and to complement observations made by other detectors. Decihertz observatories are well suited to observation of intermediate-mass ($\sim10^2$-$10^4 M_\odot$) black holes; they will be able to detect stellar-mass binaries days to years before they merge, providing early warning of nearby binary neutron star mergers and measurements of the eccentricity of binary black holes, and they will enable new tests of general relativity and the Standard Model of particle physics. Here we summarise how a Decihertz Observatory could provide unique insights into how black holes form and evolve across cosmic time, improve prospects for both multimessenger astronomy and multiband gravitational-wave astronomy, and enable new probes of gravity, particle physics and cosmology.

研究の動機と目的

• 現在の地上型検出器と将来の宇宙機関型検出器の間にある、0.1–10 Hzのデシヘルツ帯における観測感度の欠如に対処する。
• 中質量ブラックホール（10²–10⁴ M☉）の検出とその形成・進化の研究を可能にする。
• 恒星質量の二重中性子星およびブラックホール系の合体に対して、数日から数年分の早期警戒信号を提供する。
• 二重系の離心率の高精度測定と、強場領域における一般相対性理論の検証を可能にする。
• 重力波のシグナルを通じて、素粒子物理学の標準模型を新たに探査する道筋を開く。

提案手法

• 0.1–10 Hz帯における重力波検出のための唯一の実現可能なプラットフォームとして、宇宙機関型のDecihertz Observatory（DO）を提唱する。
• 必要な低周波感度と位相安定性を達成するため、レーザー干渉計と原子時計技術を活用する。
• LISAに類似したアーキテクチャに基づき、DO-ConservativeおよびDO-Optimalという2つの概念設計をモデル化し、達成可能な感度と科学的帰結を評価する。
• LISA、aLIGO、Cosmic Explorer、Einstein Telescopeなどの既存および計画中の検出器と比較することで、DOの独自の科学的ニッチを確立する。
• 一般相対性理論、ブラックホール物理学、素粒子物理学の理論的枠組みを統合し、デシヘルツ帯における測定可能なシグナルを定義する。
• 2035–2050年の打ち上げウィンドウを想定したDOミッションの技術的実現可能性とロードマップを評価する。

Figure 1: Concept designs for Decihertz Observatories (DOs) fill the gap between LISA Audley:2017drz and ground-based detectors like Advanced LIGO (aLIGO) TheLIGOScientific:2014jea , Cosmic Explorer (CE) Evans:2016mbw and the Einstein Telescope (ET) Hild:2010id . The example DO concepts SAGE Lacour:

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 デシヘルツ帯における重力波帯で検出可能な天体的源は何か？ また、低周波および高周波帯で観測される源とはどのように異なるか？
• RQ2 Decihertz Observatoryは、二重中性子星合体の早期警戒信号を提供できるか？ その予想されるリードタイムはどの程度か？
• RQ3 DOは、二重ブラックホール系の離心率をどの程度高い精度で測定できるか？ また、その情報は、凝集した星間環境におけるブラックホール形成・進化モデルにどのように寄与するか？
• RQ4 デシヘルツ帯の重力波は、一般相対性理論の強場領域における検証や、標準模型を超える物理学の探査にどのように利用できるか？
• RQ5 DOに必要な感度を達成するために、どのような技術的進歩が求められるか？ また、DO-OptimalとDO-Conservativeのような設計のうち、どのものがより有望な科学的帰結をもたらすか？

主な発見

• Decihertz Observatoryは、10²–10⁴ M☉の規模の中質量ブラックホール二重系を高い信号対雑音比で検出でき、合体のダイナミクスや形成経路に関する詳細な研究が可能になる。
• 恒星質量の二重系（例：中性子星やブラックホール）は、合体の数年前まで観測可能であり、多メッセンジャー天文学における重要な早期警戒を提供する。
• DOは、二重ブラックホール系の離心率を高精度で測定でき、密な星間環境における動的形成メカニズムに関する知見が得られる。
• DOは、一般相対性理論の強場領域における新たな検証を可能にし、特にポストニュートン補正や波形のずれを検出することで、その妥当性を検証できる。
• DO-OptimalおよびDO-Conservativeの設計は、高度なレーザー干渉計から原子時計ベースの時刻測定まで、多様な技術的アプローチがデシヘルツ帯における必要感度を達成可能であることを示している。
• DOミッションは技術的に実現可能であり、2035–2050年の打ち上げウィンドウを想定すれば、天体物理学および基礎物理学分野において画期的な科学的帰結をもたらす。