[논문 리뷰] Microlensing of gravitational waves by dark matter structures

Malcolm Fairbairn, Juan Urrutia외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 24.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 저질량 어둠성 물질 허브에서 블랙홀 이원성의 중력파에 의한 마이크로렌즈 효과를 조사한다. 이는 냉각된 어둠성 물질(CDM)의 준핵과 퍼지 어둠성 물질(FDM) 허브 내의 솔리톤 핵을 포함한다. 검출 가능한 마이크로렌즈 사건은 BBO와 ET 기준 연간 약 0.01건으로 매우 드물게 발생한다. 그러나 어둠성 물질이 밀도가 높고 항성 질량 크기의 천체로 이루어져 있을 경우, ET로선 연간 최대 약 1,000건의 렌즈 효과를 검출할 수 있다.

ABSTRACT

Gravitational lensing of gravitational waves provides a potential new probe of dark matter structures. In this work, we consider the microlensing effect on gravitational wave signals from black hole binaries induced by low-mass dark matter halos that do not retain enough baryonic matter to hold stars. We clarify systematically when this microlensing effect is relevant and study in detail its detectability by future gravitational wave observatories. We consider lensing by cold dark matter halos and by solitonic cores that reside in fuzzy dark matter halos. Our results show that although the effect can be detectable at relatively large impact parameters, the probability of detecting such lensed events is low. In particular, we find that the expected number of events lensed by cold dark matter halos is $O(0.01)$ per year for BBO and the expected number of events lensed by solitonic cores inside fuzzy dark matter halos is $O(0.01)$ per year for ET. In the case that a significant fraction of dark matter consists of $=O(100 M_\odot)$ objects that are relatively compact, $R < O(0.1\,{ m pc})$, we show that the expected number of lensed events per year ET can be very large, $0(1000)$.

연구 동기 및 목표

• 저질량 어둠성 물질 허브에 의한 블랙홀 이원성에서 온 중력파 신호의 마이크로렌즈 효과의 검출 가능성을 평가하기 위해.
• 미래 중력파 관측소에 대해 어둠성 물질 구조에 의한 마이크로렌즈 효과가 관련이 되는 물리적 조건을 명확히 하기 위해.
• BBO, ET, LISA와 같은 향후 관측소가 CDM 준핵과 FDM 솔리톤 핵으로부터 오는 마이크로렌즈 인상을 감지할 수 있는 민감도를 평가하기 위해.
• 퍼지 어둠성 물질 시나리오에서와 같은 밀집 어둠성 물체가 마이크로렌즈 검출 빈도에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 렌즈 효과 사건의 관측이 이루어지지 않았을 경우 어둠성 물질 준구조의 빈도에 대한 제약 조건을 유도하기 위해.

제안 방법

• NFW 및 Einasto 밀도 프로파일을 가진 구형 대칭 어둠성 물질 허브에 대해 파동광학 및 레이 추적 기법을 사용하여 마이크로렌즈 효과를 모델링하였다.
• 어둠성 물질 준핵 주변을 통과하는 중력파의 증폭 및 시간 지연를 계산하기 위해 분석적·수치적 기법을 적용하였다.
• 냉각된 어둠성 물질의 허브 질량 함수와 퍼지 어둠성 물질 허브 내의 솔리톤 핵 프로파일을 사용하여 렌즈 효과 발생 확률를 추정하였다.
• BBO, ET, LISA, AEDGE 등의 중력파 탐지기에서 다양한 주파수 대역에서 신호 대 잡음비를 계산하여 검출 가능성을 평가하였다.
• 합성 병합률 밀도, 렌즈 단면적, 관측소 감도를 조합하여 연간 기대 렌즈 효과 사건 수를 추정하였다.
• 특히 핵 반경이 에인슈타인 반경과 유사할 경우, 밀집 핵에서의 유한한 크기 효과 및 간섭 무늬를 파동광학 영역에서 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 미래 관측소에서 저질량 어둠성 물질 허브에 의한 중력파 마이크로렌즈 효과가 검출 가능한 조건은 무엇인가?
• RQ2 냉각된 어둠성 물질 허브와 퍼지 어둠성 물질 허브 내의 솔리톤 핵 간에 마이크로렌즈 검출 가능성은 어떻게 다를까?
• RQ3 기본 어둠성 물질 준핵 분포를 가정할 경우, BBO와 ET에서 기대되는 마이크로렌즈 중력파 사건의 빈도는 얼마인가?
• RQ4 유한한 크기 효과와 파동광학 현상은 밀집 어둠성 물질 구조에서 마이크로렌즈 서명에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 마이크로렌즈 사건이 관측되지 않았을 경우, 밀집 어둠성 물체의 빈도에 대해 어떤 제약 조건을 설정할 수 있는가?

주요 결과

• 냉각된 어둠성 물질 준핵에 의한 기대되는 연간 마이크로렌즈 사건 수는 BBO 기준 약 0.01건, ET 기준 약 0.01건이다.
• 퍼지 어둠성 물질 허브 내 솔리톤 핵에 의한 기대되는 검출 가능한 렌즈 사건 수는 ET 기준 약 0.01건이다.
• 어둠성 물질이 밀도가 높고 항성 질량 크기의 천체(예: 100 M☉, 반경 < 0.1 pc)로 이루어져 있을 경우, ET에서 기대되는 렌즈 사건 수는 연간 약 O(1000)에 이를 수 있다.
• LISA, AEDGE, BBO의 최대 검출 가능한 마이크로렌즈 확률은 각각 5×10⁻⁵, 10⁻⁵, 1.3×10⁻³이다.
• ET는 에인슈타인 반경보다 약 10배 큰 반경을 가진 솔리톤 핵의 마이크로렌즈 효과를 탐색할 수 있다.
• 축상 입자 질량 약 10⁻¹⁷ eV인 퍼지 어둠성 물질의 경우, ET에서 최대 렌즈 확률은 3×10⁻⁵이며, 이에 따라 연간 약 O(0.01)건의 렌즈 사건이 기대된다.