[論文レビュー] The North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves

Jenet, F., Finn, L. S.+22 more|ArXiv.org|Sep 5, 2009

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 12

ひとこと要約

NANOGravは、北アメリカのミリ秒パルサーを用いたパルサー時計アレイを提案し、超大質量ブラックホール二重星や初期宇宙現象からのナノヘルツ周波数の重力波を検出することを目的としている。正確に時刻を測定したパルサーのネットワークにおける相関する時計残差を測定することで、既存の電波望遠鏡とアップグレードされた機器を用いて、今世紀中に重力波を検出することを目指している。

ABSTRACT

The North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) is a consortium of astronomers whose goal is the creation of a galactic scale gravitational wave observatory sensitive to gravitational waves in the nHz-microHz band. It is just one component of an international collaboration involving similar organizations of European and Australian astronomers who share the same goal. Gravitational waves, a prediction of Einstein's general theory of relativity, are a phenomenon of dynamical space-time generated by the bulk motion of matter, and the dynamics of space-time itself. They are detectable by the small disturbance they cause in the light travel time between some light source and an observer. NANOGrav exploits radio pulsars as both the light (radio) source and the clock against which the light travel time is measured. In an array of radio pulsars gravitational waves manifest themselves as correlated disturbances in the pulse arrival times. The timing precision of today's best measured pulsars is less than 100 ns. With improved instrumentation and signal-to-noise it is widely believed that the next decade could see a pulsar timing network of 100 pulsars each with better than 100 ns timing precision. Such a pulsar timing array (PTA), observed with a regular cadence of days to weeks, would be capable of observing supermassive black hole binaries following galactic mergers, relic radiation from early universe phenomena such as cosmic strings, cosmic superstrings, or inflation, and more generally providing a vantage on the universe whose revolutionary potential has not been seen in the 400 years since Galileo first turned a telescope to the heavens.

研究の動機と目的

• 100ナノヘルツ〜1マイクロヘルツ帯の低周波数重力波を、宇宙の時計としてのミリ秒パルサーのネットワークを用いて検出すること。
• 二重ブラックホール合体からの重力波シグナルを通じて、銀河と超大質量ブラックホールの共進化を研究すること。
• コズミック・ストリングスやインフレーションなどの初期宇宙の物理学の痕跡を、確率的重力波背景から探ること。
• 強場領域における一般相対性理論の検証や、時空の根本的性質を解明すること。
• 長期間にわたる高精度なパルサー時計測を通じて、これまでに発見されていなかった重力波源を同定すること。

提案手法

• 100個以上のミリ秒パルサーで構成されるパルサー時計アレイ（PTA）を活用し、時刻測定精度が100ナノ秒未塔のものとする。
• パルスの到着時刻残差を測定し、重力波によって引き起こされる相関するずれを検出する。
• 複数のパルサーにわたる相関する時計残差を識別するために、高度な統計解析を適用し、ノイズや機器の影響と区別する。
• リアルタイムでの電波干渉（RFI）低減および電離層中間（ISM）補正技術を導入し、時刻測定の正確性を向上させる。
• グリーン・バンク望遠鏡（GBT）、アレセイボ天文台、アレン電波望遠鏡アレイ（ATA）、EVLAなどの主要望遠鏡に、バックエンドシステムのアップグレードとデュアル周波数受信機を設置し、帯域幅と信号対雑音比を向上させる。
• アレイ望遠鏡（例：アレン電波望遠鏡アレイ）や将来の平方キロメートルアレイ（SKA）向けに、画像化を行わない時計モードを開発する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10年以内に、パルサー時計アレイが超大質量ブラックホール二重星からの重力波を検出可能か？
• RQ2 コズミック・ストリングスやインフレーション過程からの確率的重力波背景に対して、PTAの感度はどの程度か？
• RQ3 電離層の影響、RFI、パルサーのスピンノイズなどの系統的要因によって生じる残差と、時計残差をどのように区別できるか？
• RQ4 大規模なパルサーネットワーク全体で100ナノ秒未塔の時刻測定精度を達成するために、機器とデータ解析でどのような改善が必要か？
• RQ5 SKA時代において、NANOGravのインfraストラクチャとデータ解析フレームワークはどのように進化し、初期段階の重力波天文学者を可能にするか？

主な発見

• 100個のパルサーと100ナノ秒未塔の時刻測定精度を持つパルサー時計アレイは、今世紀中に超大質量ブラックホール二重星からの重力波を検出可能である。
• プロジェクトの総予算は10年間で6600万ドルであり、グリーン・バンク望遠鏡とアレセイボ天文台の観測時間に年間2000万ドルを要する。
• NANOGravは、アレセイボの観測時間の10％と、GBTの20％を必要としている。
• GBTとアレセイボのバックエンドシステムとデュアル周波数受信機のアップグレードには、ハードウェアで100万ドル、次世代バックエンド開発で40万ドルが予想される。
• 年間200万ドルの直接資金を投入し、8名のポスドク研究員、10名の大学院生、4名の技術職員を支援する。
• リアルタイムでのRFI低減およびISM補正技術の開発は、必要な時刻測定精度を達成する上で不可欠であり、将来のSKA時代の観測を可能にする。