[論文レビュー] eLISA: Astrophysics and cosmology in the millihertz regime

Pau Amaro‐Seoane, S Aoudia+28 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2012

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 342被引用数 106

ひとこと要約

eLISAは、0.1 mHz〜1 Hzのミリヘルツ帯に感度を持つ宇宙ベースの重力波観測所を提案しており、大質量ブラックホール合体、極端に質量比の大きい連星の渦巻き込み、コンact二重星の合体、赤方偏移z=15までの宇宙論的確率的背景まで、高SNRで検出可能である。重力の強い領域における一般相対性理論の検証と、初期宇宙の物理学の探査を可能とし、低周波数重力波天文学の新時代を切り開く。

ABSTRACT

This document introduces the exciting and fundamentally new science and astronomy that the European New Gravitational Wave Observatory (NGO) mission (derived from the previous LISA proposal) will deliver. The mission (which we will refer to by its informal name "eLISA") will survey for the first time the low-frequency gravitational wave band (about 0.1 mHz to 1 Hz), with sufficient sensitivity to detect interesting individual astrophysical sources out to z = 15. The eLISA mission will discover and study a variety of cosmic events and systems with high sensitivity: coalescences of massive black holes binaries, brought together by galaxy mergers; mergers of earlier, less-massive black holes during the epoch of hierarchical galaxy and black-hole growth; stellar-mass black holes and compact stars in orbits just skimming the horizons of massive black holes in galactic nuclei of the present era; extremely compact white dwarf binaries in our Galaxy, a rich source of information about binary evolution and about future Type Ia supernovae; and possibly most interesting of all, the uncertain and unpredicted sources, for example relics of inflation and of the symmetry-breaking epoch directly after the Big Bang. eLISA's measurements will allow detailed studies of these signals with high signal-to-noise ratio, addressing most of the key scientific questions raised by ESA's Cosmic Vision programme in the areas of astrophysics and cosmology. They will also provide stringent tests of general relativity in the strong-field dynamical regime, which cannot be probed in any other way. This document not only describes the science but also gives an overview on the mission design and orbits.

研究の動機と目的

• ミリヘルツ帯の重力波観測により、天物理学および宇宙論の主要な科学的目標に応える。
• 銀河合体に伴う合体イベントを通じて、大質量ブラックホールの形成と進化を研究する。
• ブラックホールの接近・合体・リングダウン信号の正確な測定を用いて、一般相対性理論を強力な重力領域で検証する。
• 白色矮星連星や銀河核内の恒星質量のコンact物体を含む、超コンパクトな連星系を検出し、特徴を付ける。
• インフレーションに由来する原始的レリクスや宇宙ひものような未知の重力波源を、広帯域感度によって探索する。

提案手法

• 3機の宇宙船が100万kmの間隔を保ち、三角形の配置を形成し、レーザー干渉計として機能し、レーザー光の位相差を測定する。
• ドレッグフリー制御と超高安定な光学メトロロジーを採用し、自由落下測定においてピコメーター級の精度を達成する。
• LISAパスファインダーの技術的実績、特にドレッグフリー制御とレーザー距離測定技術を活用し、eLISAの高感度を実現する。
• 弱い重力波信号をノイズの多いデータから抽出するために、マッチドフィルタリングとベイズ推論技術を採用する。
• 一般相対性理論と数値相対性理論を用いて、大質量ブラックホール連星、極端に質量比の大きな連星の渦巻き込み、確率的背景の重力波形をモデル化する。
• 信号対雑音比（SNR）解析を用いて、さまざまな源タイプの検出可能性とパラメータ推定の精度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤方偏移z=8までを想定した場合、質量が10^5–10^6 M☉の大質量ブラックホール連星の予想されるイベントレートと検出可能性はどの程度か？
• RQ2 eLISAは、合体中のブラックホールの質量とスピンをどの程度の精度で測定できるか？また、強力な重力領域における一般相対性理論の検証は可能か？
• RQ3 eLISAは、初期宇宙由来の確率的重力波背景に対してどの程度の感度を示すか？また、どのような上限を設定できるか？
• RQ4 eLISAは極端に質量比の大きな連星（EMRIs）を何個検出できるか？また、それらは銀河中心部の力学的状態やブラックホール質量に関するどのような知見を提供するか？
• RQ5 eLISAは宇宙ひものカスプやキンクに起因する重力波パルスを検出可能か？また、それらはスーパーストリング理論モデルにどのような制約を課えるか？

主な発見

• eLISAは、赤方偏移z=15までの大質量ブラックホール連星合体を検出可能であり、質量比m₂/m₁ > 1/3の系では平均信号対雑音比（SNR）が60以上に達する。
• eLISAはブラックホールの質量を1%未満の精度で、スピンパラメータを0.3未満の精度で測定可能であり、強力な重力領域における一般相対性理論の厳密な検証が可能となる。
• eLISAは10⁻⁴ Hzから10⁻¹ Hzの周波数帯域において、確率的重力波背景に対して上限を設定可能であり、初期宇宙由来の宇宙論的信号に感度を持つ。
• eLISAは、のちにIa型超新星の前身星となる可能性がある、ミルキーウェイ銀河内に数千個の超コンパクト白色矮星連星を検出可能であり、連星進化に関する知見が得られる。
• eLISAは銀河核由来の極端に質量比の大きな連星（EMRIs）を検出可能であり、そのイベントレートは年間数十から数百のレベルに達すると推定される。
• eLISAは、宇宙ひものカスプやキンクに起因する重力波パルスに感度を示し、スーパーストリング理論モデルに関する宇宙論的に有意義な制約を課すことができる。