[論文レビュー] The Promise of Low-Frequency Gravitational Wave Astronomy

T. Prince|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2009

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、低周波数重力波天文学（10⁻⁵–1 Hz）の変革的潜在能力を概説し、宇宙空間に配置されたLISAが、巨大ブラックホール合体、コンパクト物体の捕獲、高密度星系二重星系を検出することを焦点としている。本稿は、LISAが一般相対性理論および宇宙論の未曾有のテストを強力な重力場と宇宙構造形成の直接観測を通じて可能にすることを示している。

ABSTRACT

This Astro2010 science white paper provides an overview of the opportunities in low-frequency gravitational-wave astronomy, a new field that is poised to make significant advances. While discussing the broad context of gravitational-wave astronomy, this paper concentrates on the low-frequency region (10^(-5) to 1 Hz), a frequency range abundantly populated in strong sources of gravitational waves including massive black hole mergers, ultra-compact stellar-mass galactic binaries, and capture of compact objects by massive black holes in the nuclei of galaxies.

研究の動機と目的

• 低周波数重力波天文学を今後の天体物理学研究の基盤とすることを提唱すること。
• 10⁻⁵–1 Hz帯における重力波の検出によってもたらされる科学的機会を強調すること。
• LISAミッションが巨大ブラックホールの力学と宇宙の進化を調べる上で持つ独自の能力を強調すること。
• 低周波数重力波天文学を、Astro2010十年間調査の優先分野の主要な構成要素と位置づけること。

提案手法

• 太陽軌道を周回する3機の宇宙船間でレーザー干渉計測定を用いて、通過する重力波によって引き起こされる位相差を検出する計画されたLISA（レーザー干渉計宇宙アンテナ）ミッションを活用すること。
• 太陽軌道を周回する3機の宇宙船間でレーザー干渉計測定を用いて、通過する重力波によって引き起こされる位相差を検出すること。
• 巨大ブラックホール合体、極端質量比インスパイラル、および銀河系二重星系からの予想される重力波信号をモデル化すること。
• LISAがターゲット周波数帯域全体で示す感度と源検出能力を評価すること。
• LISA観測が宇宙論、一般相対性理論、高エネルギー天体物理学に与える科学的インパクトを評価すること。
• 理論的予測をミッション設計と統合し、LISAの観測期間中の科学的成果を最大化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10⁻⁵–1 Hz帯における低周波数重力波背景を支配する天体的源は何か？
• RQ2 LISA観測は、銀河核における巨大ブラックホールの形成と進化をどのように制約するか？
• RQ3 強力な重力場における重力波信号の検出から、一般相対性理論および時空構造に関するどのような知見が得られるか？
• RQ4 巨大ブラックホールによるコンパクト物体の捕獲の頻度と分布は、銀河進化モデルにどのような情報を与えるか？
• RQ5 低周波数重力波標準サインとして、どの宇宙論的パラメータを高い精度で測定できるか？

主な発見

• LISAは、年間数十から数百もの巨大ブラックホール合体を検出すると予想され、銀河中心におけるブラックホール合体の直接的証明が得られる。
• 極端質量比インスパイラル（コンパクト物体が巨大ブラックホールに徐々に近づいていく現象）は、強力な重力場における一般相対性理論の精密なテストを可能にする。
• 銀河の平面は、解明されていない星質量二重星系からの混信制限信号の豊富な源となり、二重星系進化の統計的分析が可能になる。
• 低周波数重力波は、宇宙距離の階層に依存しない距離測定を可能にし、ダークエネルギーの制約を強化する。
• LISAが10⁻⁵–1 Hz帯に感度を持つことで、銀河核の力学的ダイナミクスと超大質量ブラックホールの成長に関する新たな視点が開かれる。
• 電磁的手段では観測できない源からの重力波を検出できるため、LISAはマルチメッセンジャーエーレルジーを実現する。