[논문 리뷰] Current status of space gravitational wave antenna DECIGO and B-DECIGO

Seiji Kawamura, Masaki Ando외 85명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 24.

Geophysics and Gravity Measurements인용 수 48

한 줄 요약

DECIGO는 0.1–10 Hz 주파수 대역을 가진 일본의 우주 기반 중력파 관측소로, 우주 팽창 이론에서 기인한 초기 중력파를 탐지하고, 암흑 에너지가 우주의 팽창에 미치는 영향을 측정하며, 중성자별 및 블랙홀 이중성계의 합병을 고정밀도로 예측하기 위해 설계되었다. B-DECIGO는 2030년대에 계획된 시범 미션으로, 드래그프리 제어 및 파브리-페로 공진기 작동과 같은 핵심 기술을 시험할 뿐만 아니라 정밀한 소스 위치 추적과 타이밍을 통해 다중 메신저 천문학을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Deci-hertz Interferometer Gravitational Wave Observatory (DECIGO) is the future Japanese space mission with a frequency band of 0.1 Hz to 10 Hz. DECIGO aims at the detection of primordial gravitational waves, which could be produced during the inflationary period right after the birth of the universe. There are many other scientific objectives of DECIGO, including the direct measurement of the acceleration of the expansion of the universe, and reliable and accurate predictions of the timing and locations of neutron star/black hole binary coalescences. DECIGO consists of four clusters of observatories placed in the heliocentric orbit. Each cluster consists of three spacecraft, which form three Fabry-Perot Michelson interferometers with an arm length of 1,000 km. Three clusters of DECIGO will be placed far from each other, and the fourth cluster will be placed in the same position as one of the three clusters to obtain the correlation signals for the detection of the primordial gravitational waves. We plan to launch B-DECIGO, which is a scientific pathfinder of DECIGO, before DECIGO in the 2030s to demonstrate the technologies required for DECIGO, as well as to obtain fruitful scientific results to further expand the multi-messenger astronomy.

연구 동기 및 목표

• 우주 팽창 이론에서 기인한 초기 중력파를 탐지하여 팽창 시기의 직접적 증거를 제공한다.
• 우주의 팽창 가속도를 측정하여 암흑 에너지에 대한 통찰을 제공한다.
• 중성자별 및 블랙홀 이중성계 합병의 정밀한 다년간 예측을 가능하게 하여 전자기적 후속 관측을 지원한다.
• 전체 DECIGO 임무를 위한 핵심 기술—예를 들어 드래그프리 제어 및 파브리-페로 공진기 작동—을 시현한다.
• 중력파 및 전자기파 대역 간의 협동 관측을 가능하게 하여 다중 메신저 천문학을 확장한다.

제안 방법

• DECIGO는 태양 궤도를 도는 3개의 3위성 클러스터로 구성되며, 각각 1,000 km 길이의 팔을 지닌 3개의 파르티-페로 미클론스 간섭계를 형성한다.
• 네 번째 클러스터는 세 개의 클러스터 중 하나와 공위치하여 초기 중력파 탐지에 필수적인 상관 측정을 가능하게 한다.
• B-DECIGO는 DECIGO 아키텍처의 축소형 버전을 사용하여 저지구궤도에서 핵심 기술을 검증한다.
• 임무는 초안정 광학 공진기와 드래그프리 제어를 사용하여 비중력 가속도를 최소화하는 레이저 간섭계 기반 기술을 적용한다.
• 우주에서의 천체적 배경 신호(예: 이중성계 합병)로부터 초기 신호를 분리하기 위해 배경 제거 기술이 개발된다.
• 기술 시범 임무는 2020년대에 계획되어 있으며, 두 대의 마이크로 위성로 파르티-페로 공진기 작동을 시험하는 하나와 드래그프리 제어 및 파르티-페로 공진기 시스템의 조합을 검증하는 다른 하나가 포함된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.1–10 Hz 대역을 가진 우주 기반 중력파 탐지기가 우주 팽창 이론에서 기인한 초기 중력파를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 DECIGO는 중성자별 및 블랙홀 이중성계 합병의 시기와 하늘 위치를 다중 메신저 후속 관측을 위해 얼마나 정밀하게 예측할 수 있는가?
• RQ3 미래의 우주 기반 간섭계를 위해, 우주에서 드래그프리 제어와 파르티-페로 공진기 안정화를 결합하는 것이 실현 가능하고 성능이 우수한가?
• RQ4 B-DECIGO는 전체 DECIGO 임무를 위한 기술 준비 수준을 시험할 수 있을 뿐 아니라 상당한 천체물리학적 과학 성과를 낼 수 있는가?
• RQ5 고정밀도 파동 측정을 통해 DECIGO는 브란스-딕 테오리와 같은 대체 중력 이론의 제약을 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• DECIGO는 적색편이 5 이내에서 매년 약 100,000건의 중성자별 이중성계 합병 사건을 탐지할 것으로 예측되며, 합병 시기 예측 정밀도는 약 0.1초 이내이다.
• 소스 위치 추적의 각도 해상도는 약 1 아크초 수준에 도달할 것으로 예상되어 매우 정밀한 전자기 후속 관측이 가능하다.
• B-DECIGO는 적색편이 0.1에서 중성자별 이중성계 합병의 위치 정밀도를 약 0.01 deg², 시기 정밀도를 약 0.1초로 예측할 수 있다.
• 임무는 카시니 측정치 대비 브란스-딕 매개변수에 대한 제약을 4개의 자리수만큼 향상시키는 것을 목표로 한다.
• DECIGO는 지상 기반 탐지기 대역에서 블랙홀 이중성계 합병으로 인한 중력파를 정밀한 매개변수 추정과 함께 탐지할 수 있으며, 특히 합병 시기와 천구 위치에 대해 뛰어난 정밀도를 보일 수 있다.
• 임무는 스칼라 및 벡터 중력파 모드의 탐지, 편극에서의 대칭성 보존성 검증, 그리고 암흑 물질에서의 초기 블랙홀의 역할을 탐구할 수 있다.