[논문 리뷰] Astro2020 Science White Paper: Cosmology with a Space-Based Gravitational Wave Observatory

Robert R. Caldwell, Mustafa A. Amin외 9명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 11.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 6

한 줄 요약

이 화이트페이퍼는 LISA와 같은 궤도 기반 중력파 관측소가 어둠분 에너지의 시작부터 적색편이 z ≈ 10까지의 우주 팽창을 맵핑하는 표준 소리원(standard sirens)으로서 거대 블랙홀 이원성 합병을 이용해 천체물리학적 측정을 가능하게 할 것이라 주장한다. 또한 mHz 대역에서의 탐지가 초기 우주와 전자약한 상전이 시기의 물리학을 드러내는 원시 잡음 중력파 배경을 발견할 수 있는 최선의 기회를 제공한다고 논의한다.

ABSTRACT

There are two big questions cosmologists would like to answer -- How does the Universe work, and what are its origin and destiny? A long wavelength gravitational wave detector -- with million km interferometer arms, achievable only from space -- gives a unique opportunity to address both of these questions. A sensitive, mHz frequency observatory could use the inspiral and merger of massive black hole binaries as standard sirens, extending our ability to characterize the expansion history of the Universe from the onset of dark energy-domination out to a redshift z ~ 10. A low-frequency detector, furthermore, offers the best chance for discovery of exotic gravitational wave sources, including a primordial stochastic background, that could reveal clues to the origin of our Universe.

연구 동기 및 목표

• 기본 우주론적 질문들을 해결하기 위해 mHz 감도를 지닌 궤도 기반 중력파 관측소를 지지하기 위한 것이다.
• 거대 블랙홀 이원성 합병이 적색편이 z ≈ 1–10 범위에서 우주의 팽창 역사 측정을 위한 표준 소리원으로 기능할 수 있음을 입증하기 위한 것이다.
• 1차 전이의 전자약한 상전이와 원시 블랙홀 이원성에서 기인하는 잡음 중력파 배경을 탐지할 잠재력을 탐색하기 위한 것이다.
• 저주파 중력파 관측이 표준모형을 초월한 새로운 물리학과 초기 우주에서의 물리학을 탐지하는 데 가지는 고유한 우주론적 민감도를 확립하기 위한 것이다.

제안 방법

• 초기 궤도에서 수축하는 거대 블랙홀 이원성의 치르프 웨이브폼을 이용해 $ D \approx c / (\omega^2 \tau h) $ 관계를 통해 빛의 세기 거리(D)를 직접 측정한다. 여기서 $ \omega $, $ \tau $, $ h $ 는 궤도 주파수, 치르프 시간, 변형률을 의미한다.
• 중력파 거리 측정과 전자기 대응체 또는 은하계 조사로부터의 적색편이 정보를 융합하여 중력적 허블도를 구성한다.
• 입자물리학과 일반상대성 이론의 이론적 프레임워크를 사용하여, 기포 충돌, 음파, 난류를 포함한 우주론적 상전이에서 기인하는 잡음 중력파 배경을 모델링한다.
• 특히 질량 $ 10^{20}–10^{22} $ g인 별 이하 질량의 원시 블랙홀에서 기인하는 중력파 배경의 탐지 가능성을 평가하며, 이는 mHz 대역에서 피크를 이룬다.
• 우주 끈에서 기인하는 중력파 신호를 조사하며, 끈 진동에서 기인한 조화선 방출과 총점 이벤트에서 기인한 보편적 버스트 웨이브폼을 포함한다.
• LISA의 예측 감도 곡선을 PTA, CMB 및 향후 CMB 실험과 비교하여 상전이와 새로운 물리학 탐지 가능성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적색편이 z ≈ 1–10에서 발생하는 거대 블랙홀 이원성 합병이 어둠분 에너지 지배 시대의 우주 팽창 역사를 측정하는 데 표준 소리원으로 기능할 수 있는가?
• RQ2 TeV 스케일에서 강한 1차 전이를 겪는 전자약한 상전이에서 기인하는 잡음 중력파 배경의 탐지 임계값은 무엇인가?
• RQ3 mHz 대역 중력파 관측소가 스핀, 이심률, 질량 스펙트럼 측정을 통해 원시 블랙홀 이원성과 천체물리적 블랙홀 이원성을 구별할 수 있는가?
• RQ4 초기 우주에서 기인하는 원시 중력파 배경이 mHz 대역에 남기는 서식은 무엇이며, 천체물리적 배경과 어떻게 구별될 수 있는가?
• RQ5 우주 끈이 LISA에서 탐지 가능한 특징적인 중력파 신호—예를 들어 좁은 스펙트럼선 또는 보편적 버스트 웨이브폼—을 생성할 수 있는가?

주요 결과

• mHz 대역은 적색편이 $ z \sim 10 $ 까지의 허블 상수 측정을 위한 표준 소리원 측정을 가능하게 하여 지상 기반 탐지기의 한계를 초월한 천체물리학적 거리 측정을 가능하게 한다.
• 강한 1차 전이를 겪는 전자약한 상전이에서 기인하는 잡음 배경은 mHz 대역에서 피크를 이룰 수 있으며, 전이가 충분히 강하고 온도가 $ \sim 1–100 $ TeV에서 발생한다면 탐지 가능한 진폭을 가질 수 있다.
• 질량 $ 10^{20}–10^{22} $ g인 원시 블랙홀은 mHz 대역에서 피크를 이룬다. 따라서 어둠분 에너지의 중요한 비율을 차지한다면 LISA에 의해 탐지 가능하다.
• 우주 끈은 좁은 스펙트럼선과 총점 유도 버스트를 생성할 수 있으며, 이는 mHz 대역에서 고유하고 식별 가능한 서식을 제공한다.
• LISA의 저주파 중력파에 대한 감도는 TeV 스케일의 상전이와 새로운 물리학 탐지에 있어 펄서 타이밍 어레이와 CMB 실험보다 뛰어나다.
• 궤도 기반 중력파 관측소는 원시 블랙홀 어둠분 에너지가 중력파와 상호작용하는 유일한 직접적 탐측 수단을 제공하며, 원시 형성 채널과 별 형성 채널을 구별할 수 있다.