[논문 리뷰] Pre-DECIGO can get the smoking gun to decide the astrophysical or cosmological origin of GW150914-like binary black holes

Takashi Nakamura, Masaki Ando외 10명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 04.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 5

한 줄 요약

Pre-DECIGO, 100km 길이의 암흑 에너지 기반 중력파 관측소로, GW150914 유사 이중 블랙홀 병합을 적색편이 z ≈ 30까지 탐지할 수 있으며, 사건의 적색편이 분포를 통해 천체물리학적(예: Pop III/II) 또는 기원 블랙홀 기원을 구별할 수 있다. 이는 고적색편이 탐지 빈도를 통해 유일하게 형성 모델을 규명하는 '결정적 증거'를 제공한다.

ABSTRACT

Pre-DECIGO consists of three spacecraft arranged in an equilateral triangle with 100km arm lengths orbiting 2000km above the surface of the earth. It is hoped that the launch date will be in the late 2020s. Pre-DECIGO has one clear target: binary black holes (BBHs) like GW150914 and GW151226. Pre-DECIGO can detect $\sim 30M_\odot-30M_\odot$ BBH mergers up to redshift $z\sim 30$. The cumulative event rate is $\sim 1.8 imes 10^{5}\,{ m events~yr^{-1}}$ in the Pop III origin model of BBHs like GW150914, and it saturates at $z\sim 10$, while in the primordial BBH (PBBH) model, the cumulative event rate is $ \sim 3 imes 10^{4}\,{ m events~ yr^{-1}}$ at $z=30$ even if only $0.1\%$ of the dark matter consists of PBHs, and it is still increasing at $z=30$. In the Pop I/II model of BBHs, the cumulative event rate is $(3-10) imes10^{5}\,{ m events~ yr^{-1}}$ and it saturates at $z \sim 6$. We present the requirements on orbit accuracy, drag free techniques, laser power, frequency stability, and interferometer test mass. For BBHs like GW150914 at 1Gpc, SNR$\sim 90$ is achieved with the definition of Pre-DECIGO in the $0.01-100$Hz band. Pre-DECIGO can measure the mass spectrum and the $z$-dependence of the merger rate to distinguish various models of BBHs like GW150914. Pre-DECIGO can also predict the direction of BBHs at $z=0.1$ with an accuracy of $\sim 0.3\,{ m deg}^2$ and a merging time accuracy of $\sim 1$s at about a day before the merger so that ground-based GW detectors further developed at that time as well as electromagnetic follow-up observations can prepare for the detection of merger in advance. For intermediate mass BBHs at a large redshift $z > 10$, the QNM frequency after the merger can be within the Pre-DECIGO band so that the ringing tail can also be detectable to confirm the Einstein theory of general relativity with SNR$\sim 35$. [abridged]

연구 동기 및 목표

• GW150914 유사 이중 블랙홀의 기원이 천체물리학적 과정(예: Pop III/II 별)인지 기원 블랙홀 형성인지 여부를 규명하는 것.
• Pre-DECIGO가 고적색편이 이중 블랙홀 병합을 탐지함으로써 경쟁하는 형성 모델을 구분할 수 있는 능력을 평가하는 것.
• 적색편이에 따라 다양한 블랙홀 형성 시나리오의 사건 빈도와 신호 대 잡음비(SNR)를 정량화하는 것.
• 지상 기반 후속 관측을 위한 사전 위치 특정 및 시기 정확도를 보장하는 것.
• 고적색편이에서 중간질량 이중 블랙홀 병합의 준정규 모드 진동을 통해 일반 상대성 이론을 시험하는 것.

제안 방법

• Pop III, Pop I/II, 기원 블랙홀(PBBH)의 세 가지 형성 시나리오에서 약 30 M⊙–30 M⊙ 이중 블랙홀(BBH)의 누적 사건 빈도를 모델링.
• 표준 우주론을 가정하고, Pre-DECIGO의 감도 곡선을 0.01–100 Hz 대역에서 사용하여 다양한 적색편이에서 BBH의 신호 대 잡음비(SNR)를 계산.
• z ≫ 1에서의 탐지 가능성을 추정하기 위해 특징 스트레인에 대한 적색편이 스케일링 h_c ∝ z^(-1/6)을 적용.
• Wen 등(2010)의 각도 해상도 공식을 사용하여 SNR 및 관측 시간에 기반한 하늘 영역 위치 특정 정확도를 추정.
• 궤도 역학 및 간섭계 반응 함수를 사용하여 천체 위치 및 병합 시기의 파arameter 추정을 시뮬레이션.
• ~640 M⊙–640 M⊙ BBH의 고적색편이 z > 10에서의 준정규 모드 진동 신호 탐지 가능성을 SNR ≈ 35로 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Pre-DECIGO는 고적색편이 사건 탐지로써 Pop III/II와 기원 블랙홀 기원을 구별할 수 있는가?
• RQ2 Pre-DECIGO가 GW150914 유사 BBH를 관측할 수 있는 최대 적색편이는 얼마이며, 형성 모델에 따라 어떻게 다를까?
• RQ3 Pre-DECIGO는 충분한 위치 특정 및 시기 정확도를 확보하여 사전 전자기 후속 관측을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 z > 10에서 중간질량 BBH 병합의 신호 대 잡음비(SNR)는 얼마이며, 진동 신호를 통해 일반 상대성 이론을 시험할 수 있는가?
• RQ5 Pop III, Pop I/II, PBBH 형성 모델 간의 누적 사건 빈도와 적색편이 분포는 어떻게 다를까?

주요 결과

• Pre-DECIGO는 약 30 M⊙–30 M⊙ 이중 블랙홀 병합을 적색편이 z ≈ 30까지 탐지할 수 있으며, Pop III 모델에서 연간 누적 사건 빈도는 약 1.8 × 10⁵ 건이다.
• 기원 블랙홀(PBBH) 모델에서는 어두운 물질의 0.1%만 PBH에 속한다고 해도 z = 30에서 연간 사건 빈도가 약 3 × 10⁴ 건에 이르며, z = 30에서 여전히 증가 추세에 있다.
• z ≈ 0.2(1 Gpc)에서 GW150914 유사 사건의 신호 대 잡음비(SNR)는 0.01–100 Hz 대역에서 약 90이다.
• z ≈ 30에서 약 10%의 면대향 GW150914 유사 사건이 SNR > 5를 기록하며, z ≈ 10에서는 약 10%가 SNR > 7를 기록한다. 이는 스트레인의 약한 적색편이 의존성(h_c ∝ z^(-1/6))으로 인한 것이다.
• Pre-DECIGO는 z = 0.1에서 소스를 약 0.3 deg² 이내로 위치 특정하고, 병합 약 1일 전에 병합 시기를 약 1초 이내 정확도로 예측할 수 있다.
• ~640 M⊙–640 M⊙ BBH가 z > 10에서 준정규 모드 진동 신호를 SNR ≈ 35로 탐지 가능하며, 일반 상대성 이론의 시험에 활용할 수 있다.