[論文レビュー] The Next Generation Global Gravitational Wave Observatory: The Science Book

Sub String Theory Cosmology and ElemPart, Theoretical Physics|Data Archiving and Networked Services (DANS)|Nov 12, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 47

ひとこと要約

この論文は次世代の重力波観測装置ネットワーク（ETとCE、さらにはLISA）を提唱し、極限の物質、ブラックホール、宇宙論、重力、フロンティア源にわたる科学目標を概説し、多重天文法天文学の重要性を強調します。

ABSTRACT

The next generation of ground-based gravitational-wave detectors will observe coalescences of black holes and neutron stars throughout the cosmos, thousands of them with exceptional fidelity. The Science Book is the result of a 3-year effort to study the science capabilities of networks of next generation detectors. Such networks would make it possible to address unsolved problems in numerous areas of physics and astronomy, from Cosmology to Beyond the Standard Model of particle physics, and how they could provide insights into workings of strongly gravitating systems, astrophysics of compact objects and the nature of dense matter. It is inevitable that observatories of such depth and finesse will make new discoveries inaccessible to other windows of observation. In addition to laying out the rich science potential of the next generation of detectors, this report provides specific science targets in five different areas in physics and astronomy and the sensitivity requirements to accomplish those science goals. This report is the second in a six part series of reports by the GWIC 3G Subcommittee: i) Expanding the Reach of Gravitational Wave Observatories to the Edge of the Universe, ii) The Next Generation Global Gravitational Wave Observatory: The Science Book (this report), iii) 3G R&D: R&D for the Next Generation of Ground-based Gravitational Wave Detectors, iv) Gravitational Wave Data Analysis: Computing Challenges in the 3G Era, v) Future Ground-based Gravitational-wave Observatories: Synergies with Other Scientific Communities, and vi) An Exploration of Possible Governance Models for the Future Global Gravitational-Wave Observatory Network.

研究の動機と目的

• 極限の物質、重力、そして基礎物理を探るための次世代重力波検出器の開発を動機づける。
• 全球検出器ネットワークが観測体積、局在精度、および測定精度を大幅に拡張する方法を説明する。
• 電磁波・ニュートリノを用いた多重天文観測が宇宙論、核合成、天体物理学プロセスを解き明かす役割を強調する。
• 中性子星、ブラックホール、初期宇宙、一般相対論を超える新しい物理の可能性に関する主要な科学的問いを特定する。
• 提案された検出器概念（アインシュタイン望遠鏡とコズミックエクスプローラー）とその予想される科学的影響を概説する。

提案手法

• ヨーロッパのアインシュタイン望遠鏡と米国・豪州のコズミックエクスプローラーから成る全球ネットワークを提案する。
• 現在の検出器と比較して期待される感度の改善と赤方偏移到達範囲の拡大を説明する。
• 3G検出器によって可能となる科学ターゲット（致密物質のEOS、重元素生成、宇宙論など）を議論する。
• 地上の3G検出器と宇宙ベースのLISAの相補性を、マルチバンド重力波天文学の観点から説明する。
• 予測される検出率、源の人口統計、および重力理論と異常物理学の検証がどのように可能になるかを概説する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3G検出器は致密物質の方程式をどのように制約し、中性子星コアのクォーク/グルオーン相をいかに明らかにするのか。
• RQ2 多重天文重力波観測は重元素核合成と宇宙的豊度の起源について何を明らかにできるのか。
• RQ3 全球的な3G GWネットワークは宇宙史を通じてブラックホールと中性子星の集団をどのように追跡し formation チャンネルに関する情報を提供するのか。
• RQ4 次世代のGW観測は一般相対論をどの程度検証し、強重力領域で新しい物理を発見できるのか。
• RQ5 3G検出器での確率的背景と初期背景の検知・特徴付けの見通しはどうか。

主な発見

• 3G検出器は感度と空の局在能力において大幅な飛躍を達成し、膨大な宇宙体積での観測を可能にする。
• 少なくとも3つの検出器からなるネットワークは、多重天文学フォローアップに必要な正確な局在と距離測定を可能にする。
• 3G観測は標準シーラノ cosmology、致密物質物理の検証、および中性子星合体からの重元素生成に関する洞察を可能にする。
• 地上の3G検出器とLISAの組み合わせはマルチバンド重力波天文学とより広い天体物理学的到達を可能にする。
• 3Gネットワークは宇宙史を通じた恒星質量ブラックホールと中性子星の合体を検出し、前例のない母集団研究と潜在的な原始ブラックホールの調査を提供する。
• 科学ケースは極限的な重力、基礎物理学、および最もエネルギーの高い天体物理現象の起源の探求を含む。