[論文レビュー] A New Probe of Cosmic Strings at LIGO and Mid-band: Gravitational Lensing Fringe

Sunghoon Jung, TaeHun Kim|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、コンパクトな二重星合体から発生する重力波（GW）が宇宙ひもによって重力レンズ効果を受ける際、発生する重力波の干渉縞信号を用いて宇宙ひもを検出する、新しい手法を提案する。この手法により、LIGOなどの高周波・中周波帯GW検出器で、Δ = 10⁻¹⁰にまで及ぶ非常に低い張力を持つ直線状の宇宙ひもをモデルに依存せずに探査可能であり、光学的強レンズ効果や確率的GW背景探索と補完的である。

ABSTRACT

Cosmic strings are important remnants of early-Universe phase transitions. We show that they can be probed by Gravitational Waves (GWs) from compact binary mergers. If such chirping GW passes by a cosmic string, it is gravitationally lensed and left with a characteristic signal of the lensing -- the GW fringe. It is observable naturally through the frequency chirping of GWs. This allows to probe cosmic strings with small tension $\Delta = 8\pi G \mu = 10^{-6} ext{ -- } 10^{-10}$, just below the current constraint, at high-frequency LIGO-band and mid-band detectors. Although its detection rates are estimated to be small, even a single detection can be used to identify a cosmic string. Contrary to the stochastic GW produced from loop decays only in local $U(1)$ models, the GW fringe can directly probe straight strings model independently. This is also complementary to the existing probes with the strong lensing of light.

研究の動機と目的

• コンパクトな二重星合体信号が宇宙ひもによって重力レンズ効果を受ける際の重力波干渉縞信号を用いた、宇宙ひも検出の新手法の開発。
• 現在の観測制約を下回る張力、具体的にはΔ = 10⁻⁶から10⁻¹⁰の範囲における宇宙ひもの検出を可能にする。
• 局所的U(1)モデルに依存するループ崩壊放射に依存しない、直線状の宇宙ひもに対するモデルに依存しない探査手法の提供。
• 光の強レンズ効果や確率的重力波背景と同様の探査手法と補完的である。

提案手法

• 本手法は、コンパクトな二重星合体から発生するchirping重力波が宇宙ひもによって重力レンズ効果を受ける現象を利用し、信号に特徴的な干渉縞パターンを印加する。
• 干渉縞信号は、直接経路とレンズ効果を受けて屈折した経路の間の干渉によって生じ、周波数chirpの変調によって検出可能である。
• 分析では、宇宙ひもの張力が引き起こすレンズ効果の時間遅れと位相差を用いて、周波数領域における干渉縞パターンをモデル化する。
• 本手法は、イベント率が低いにもかかわらず、SNRが十分に高い高周波LIGOおよび中周波帯検出器に適用可能である。
• 特定の場の理論モデルに依存せず、重力波のレンズ効果が及ぼす幾何学的および運動的効果のみに依存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レンズ効果を受けるコンパクトな二重星合体からの重力波干渉縞信号は、低張力の宇宙ひもを検出するために利用可能か？
• RQ2 宇宙ひもによるレンズ効果が重力波信号に及ぼす干渉縞パターンは、他のレンズ効果とどのように異なるか？
• RQ3 LIGOおよび中周波帯検出器において、この干渉縞手法を用いた宇宙ひもの張力の検出限界は何か？
• RQ4 本手法は、ループ崩壊放射に基づく既存の探査手法と比較して、どのようにモデルに依存しないか？

主な発見

• 宇宙ひもによる重力波干渉縞信号は、コンパクトな二重星合体信号の周波数chirpの変調を通じて観測可能であり、張力Δ = 10⁻⁶から10⁻¹⁰の宇宙ひもの検出を可能にする。
• たとえ1件の干渉縞信号の検出でも、宇宙ひもの存在を確認できるため、検出率が低くても感度が高い。
• 本手法は、特定の場の理論的仮定に依存する確率的GW背景手法とは異なり、直線状の宇宙ひもに対するモデルに依存しない探査を提供する。
• 干渉縞信号は光の強レンズ効果とは異なり、既存の天体物理学的探査と補完的な制約を提供する。