[논문 리뷰] Probing Dark Matter Clumps, Strings and Domain Walls with Gravitational Wave Detectors

Joerg Jaeckel, S. Schenk외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 28.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 135인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 LISA와 같은 중력파 탐지기를 사용하여 중력적 영향으로 인해 간섭계 노드에 측정 가능한 도플러 시프트를 유도하는 거대한 암흑물질 구조—덩어리, 우주 끈, 도메인 월—을 탐지하는 것을 제안한다. 중간 정도의 감도 향상으로도 이러한 물체들이 여러 주파수 대역에서 탐지 가능하다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

Gravitational wave astronomy has recently emerged as a new way to study our Universe. In this work, we survey the potential of gravitational wave interferometers to detect macroscopic astrophysical objects comprising the dark matter. Starting from the well-known case of clumps we expand to cosmic strings and domain walls. We also consider the sensitivity to measure the dark matter power spectrum on small scales. Our analysis is based on the fact that these objects, when traversing the vicinity of the detector, will exert a gravitational pull on each node of the interferometer, in turn leading to a differential acceleration and corresponding Doppler signal, that can be measured. As a prototypical example of a gravitational wave interferometer, we consider signals induced at LISA. We further extrapolate our results to gravitational wave experiments sensitive in other frequency bands, including ground-based interferometers, such as LIGO, and pulsar timing arrays, e.g. ones based on the Square Kilometer Array. Assuming moderate sensitivity improvements beyond the current designs, clumps, strings and domain walls may be within reach of these experiments.

연구 동기 및 목표

• 중력파 간섭계가 암흑물질의 거대한 구조에 미치는 중력적 영향을 통해 이를 탐지할 잠재력을 탐색한다.
• 클러스터를 넘어서 우주 끈과 도메인 월을 탐지 가능한 암흑물질 후보로 포함시키기 위해 확장한다.
• 현재 및 향후 탐지기—LISA, LIGO, 펄서 타이밍 어레이—의 감도를 이러한 구조에 대해 평가한다.
• 중력파 장치를 통해 국지적 암흑물질 밀도 변동을 측정할 수 있는지 평가한다.
• 특정 암흑물질 모델에 의존하지 않고 중력 상호작용에만 초점을 맞춘 현상학적 프레임워크를 제공한다.

제안 방법

• 질량이 큰 암흑물질 구조가 시공간을 왜곡시켜 간섭계 노드에 균일하지 않은 가속도를 유도하는 차별 중력 가속도 효과를 사용한다.
• LISA에서 도플러 신호를 모델링하기 위해 시간 지연 간섭계 기법을 적용하며, 신호의 시간 및 위상 이동을 고려한다.
• 질량, 속도 및 충격 매개변수에 따라 국소화된 덩어리의 신호 파wer 스펙트럼을 유도한다.
• 우주 끈과 도메인 월로 공식을 확장하며, 그들의 상태 방정식을 자유 매개변수로 취급한다.
• 지상 기반(LIGO) 및 저주파(SKA 기반 PTA) 탐지기 포함 다양한 주파수 대역에 분석을 적응시킨다.
• LISA, LIGO 및 PTA에서의 탐지기 감도 곡선(예: LISA, LIGO, PTA)을 사용하여 다양한 암흑물질 구조의 탐지 가능 임계치를 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LISA와 같은 중력파 탐지기가 간섭계 노드의 중력적 왜곡을 통해 암흑물질 덩어리를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 우주 끈과 도메인 월의 중력장 프로파일을 고려할 때, 중력파 탐지기에서 탐지 가능한 매개변수 공간은 무엇인가?
• RQ3 미래 중력파 실험은 소규모 암흑물질 파wer 스펙트럼 변동에 얼마나 민감한가?
• RQ4 현재 설계를 초월하는 중간 정도의 감도 향상으로 덩어리, 끈, 도메인 월을 관측 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 상태 방정식이 탐지 가능성에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• LISA는 속도 및 충격 매개변수에 따라 탐지기로부터 약 10^6 km 이내를 통과하는 암흑물질 덩어리(질량 약 10^15 g 이상)를 탐지할 수 있다.
• 운동 및 기하학적 형태에 따라 선형 또는 표면 에너지 밀도가 약 10^12 GeV² 이상인 우주 끈과 도메인 월은 탐지 가능할 수 있다.
• 중간 정도의 감도 향상이 가정된 지상 기반 탐지기(LIGO)는 약 10^18–10^20 g의 덩어리를 탐지할 수 있다.
• 스퀘어 킬로미터 어레이 기반 펄서 타이밍 어레이(Pulsar Timing Array)는 약 10^10–10^12 GeV²의 에너지 밀도를 가진 도메인 월 또는 끈을 잠재적으로 탐지할 수 있다.
• 국지적 암흑물질 파워 스펙트럼 변동에 대한 감도는 제한되어 있지만, 장기 통합 및 노이즈 억제 향상으로 원리적으로 측정 가능하다.
• 이 방법은 모델 독립적이며 중력 상호작용에만 의존하므로 다양한 암흑물질 후보에 광범위하게 적용 가능하다.