[논문 리뷰] Damping of gravitational waves in a viscous Universe and its implication for dark matter self-interactions

B. Lu, Da Huang외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 30.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 점성 우주에서 중력파(GW) 감쇠를 제약하는 데 새로운 방법을 제안한다. 감쇠 효과를 흡수하는 효과적 거리 개념을 도입함으로써, LIGO/Virgo의 광속 거리 측정값을 직접 사용할 수 있게 한다. GW170817 및 기타 사건의 분석을 통해 95% 신뢰수준에서 중력파 감쇠율에 대한 상한은 $6.75 \times 10^{-4}\ \text{Mpc}^{-1}$이며, 이는 소규모 구조 문제와 관련된 암흑물질 자기상호작용을 제약할 수 있는 중력파는 $D \gtrsim 10^4\ \text{Mpc}$ 거리 이외의 소스에서만 가능함을 시사한다.

ABSTRACT

It is well known that a gravitational wave (GW) experiences the damping effect when it propagates in a fluid with nonzero shear viscosity. In this paper, we propose a new method to constrain the GW damping rate and thus the fluid shear viscosity. By defining the effective distance which incorporates damping effects, we can transform the GW strain expression in a viscous Universe into the same form as that in a perfect fluid. Therefore, the constraints of the luminosity distances from the observed GW events by LIGO and Virgo can be directly applied to the effective distances in our formalism. We exploit the lognormal likelihoods for the available GW effective distances and a Gaussian likelihood for the luminosity distance inferred from the electromagnetic radiation observation of the binary neutron star merger event GW170817. Our fittings show no obvious damping effects in the current GW data, and the upper limit on the damping rate with the combined data is $6.75 imes 10^{-4}\,{ m Mpc}^{-1}$ at 95\% confidence level. By assuming that the dark matter self-scatterings are efficient enough for the hydrodynamic description to be valid, we find that a GW event from its source at a luminosity distance $D\gtrsim 10^4\; m Mpc$ can be used to put a constraint on the dark matter self-interactions.

연구 동기 및 목표

• 기존 중력파 관측을 통해 점성 우주론적 유체에서 중력파 감쇠를 제약하는 방법을 개발하는 것.
• 중력파 감쇠에 대한 제약를 암흑물질(DM) 자기상호작용(상호작용) 단면적에 대한 제약으로 번역하는 것.
• 현재 중력파 데이터가 소규모 구조 문제를 해결하는 데 기여하는 암흑물질 자기상호작용 시나리오를 탐색할 수 있는지 평가하는 것.
• GW 효과적 거리와 전자기 대응체(예: GW170817)를 조합하여 제약를 향상시키는 것.
• 중력파 감쇠가 암흑물질 자기상호작용에 대한 의미 있는 제약를 제공하기 위해 필요한 최소 광속 거리를 결정하는 것.

제안 방법

• 점성에 의한 감쇠율을 포함하는 효과적 거리를 정의하여, 점성 유체 내 중력파 진폭을 완전한 유체와 동일한 형태로 변환하는 것.
• LIGO/Virgo 중력파 사건으로부터 유도된 효과적 거리의 로그정규분포 우도 함수를 사용하여 감쇠율을 제약하는 것.
• GW170817의 전자기 대응체(GRB170817A)로부터의 광속 거리에 대한 정규분포 우도를 통합하여 제약를 향상시키는 것.
• 우도를 결합하기 위해 $\chi^2$ 통계를 적용하고 중력파 감쇠율 $\beta$에 대한 상한을 유도하는 것.
• 감쇠율 상한을 점성계수에 변환하고, 이를 바탕으로 암흑물질 자기상호작용 단면적에 대한 제약를 유도하는 것.
• 중력파 감쇠가 암흑물질 유체역학을 탐색하는 데 유용한지 평가하기 위해 $D \gtrsim 10^4\ \text{Mpc}$ 거리에서 의미 있는 제약가능성을 요구하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 LIGO/Virgo 중력파 데이터를 사용하여 원시 스트레인 데이터를 재분석하지 않고도 점성 우주에서 중력파 감쇠를 제약할 수 있는가?
• RQ2 결합된 중력파 및 전자기 관측을 통해 95% 신뢰수준에서 중력파 감쇠율 $\beta$에 대한 상한은 얼마인가?
• RQ3 중력파 감쇠가 소규모 구조 문제를 해결하는 데 기여하는 암흑물질 자기상호작용을 탐색하는 데 실현 가능한 수단이 될 수 있는가?
• RQ4 중력파 감쇠가 암흑물질 자기상호작용 단면적을 제약할 수 있을 정도로 민감해지기 위해 광속 거리는 어느 정도여야 하는가?
• RQ5 GW170817의 전자기 대응체를 포함함으로써 중력파 감쇠율에 대한 제약는 어떻게 향상되는가?

주요 결과

• 결합된 중력파 및 전자기 데이터로부터 중력파 감쇠율에 대한 상한은 $6.75 \times 10^{-4}\ \text{Mpc}^{-1}$이며, 95% 신뢰수준이다.
• 현재 중력파 데이터에서는 유의미한 감쇠 효과를 관측하지 못했으며, 이는 우주론적 유체에서 점성계수가 극히 낮다는 데 일치한다.
• 효과적 거리 형식은 점성 중력파 전파에 대해 표준 광속 거리 제약를 직접 적용할 수 있게 한다.
• 중력파 감쇠를 통한 암흑물질 자기상호작용 단면적에 대한 제약는 광속 거리 $D \gtrsim 10^4\ \text{Mpc}$ 인 소스에서만 의미가 있다.
• 현재 중력파 탐지기의 감도는 암흑물질 자기상호작용을 탐색하는 데 한계가 있으며, 향후 훨씬 더 먼 거리에서의 탐지가 필요하다.
• 이 방법은 일반적이며, 중력파 감쇠를 예측하는 히어로네스키 또는 고차원 모델과 같은 다른 중력 이론의 검증에도 확장 가능하다.