[論文レビュー] Observing extreme-mass-ratio inspirals with eLISA/NGO

J. R. Gair, E. K. Porter|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2012

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、進化型レーザー干渉計宇宙望遠鏡（eLISA）のNGOミッション概念を用いた極端質量比降下（EMRI）の検出可能性を評価している。一致フィルタリングによる信号対雑音比（SNR）のしきい値と波形モデルを用い、NGOは2年間のミッションで数十のEMRIを検出できると推定される。イベントレートと赤方偏移分布は、検出器の構成とブラックホールスピンに強く依存する。

ABSTRACT

The extreme-mass-ratio inspirals (EMRIs) of stellar mass compact objects into massive black holes in the centres of galaxies are an important source of low-frequency gravitational waves for space-based detectors. We discuss the prospects for detecting these sources with the evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA), recently proposed as an ESA mission candidate under the name NGO. We show that NGO could observe a few tens of EMRIs over its two year mission lifetime at redshifts z < 0.5 and describe how the event rate changes under possible alternative specifications of the eLISA design.

研究の動機と目的

• eLISA/NGOという宇宙ベースの重力波検出器を用いた極端質量比降下（EMRI）の検出可能性を評価すること。
• eLISA/NGOの異なる設計構成（アーム長さやレーザー結合数を含む）におけるEMRIイベントレートの変動を定量化すること。
• 検出可能なEMRIレートと赤方偏移分布が、巨大ブラックホールのスピンにどのように依存するかを検討すること。
• NGOを用いたEMRI検出の科学的潜在能力が、天体物理学、宇宙論、および基礎物理学の分野でどのように活かされるかを評価すること。

提案手法

• イベント検出の基準として、一致フィルタリングによる信号対雑音比（SNR）を用い、しきい値ρ_thresh = 20を設定する。
• 検出器のノイズをモデル化するために、片側スペクトル密度S_h(f)を用い、Amaro-Seoaneら（2012）によるNGO固有の感度と、Barack & Cutler（2004）によるクラシックLISAの感度を用いる。
• 2種類の波形モデルを適用する：円形・等面内EMRIにはテウコルスキーに基づく波形、一般のEMRI（離心率および傾きを有する）にはアナリティカルクラッジモデルを用いる。
• 外在的パラメータの平均をとった上で、赤方偏移zにおける観測可能寿命T_obs(z)を計算し、赤方偏移および内在的レートについて統合することで、総イベントレートを推定する。
• 4つの検出器構成を比較する：4リンクNGO（1 Gmアーム）、6リンクNGO、2 Gmアームの4リンクNGO、およびクラシックLISA（6リンク、2 Gmアーム）。
• 外在的パラメータのモンテカルロ平均と、天の位置平均感度曲線を用いて、質量およびスピンのビンごとの検出可能なイベント数を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的な設計仮定のもとで、eLISA/NGOは2年間のミッション期間中に何個のEMRIを検出できるか？
• RQ2 アーム長の延長や追加のレーザー結合の有無といった、eLISA/NGOの異なる構成において、EMRIイベントレートはどのように変化するか？
• RQ3 検出可能なEMRIの赤方偏移分布はどのようになっており、巨大ブラックホールのスピンにどのように依存するか？
• RQ4 異なる検出器構成およびブラックホールスピン値における、検出されたEMRIの質量分布はどのように変化するか？
• RQ5 eLISA/NGOは、元のLISAミッションが達成した科学的目標（例えば、ブラックホール質量関数の測定やハッブル定数の制約）をどの程度達成できるか？

主な発見

• NGOミッション概念では、2年間のミッション期間中に約15個のEMRIが検出可能と予想され、非回転の巨大ブラックホールでは赤方偏移分布のピークがz ≈ 0.2付近に位置する。
• 急速に回転する巨大ブラックホール（a = 0.9）では、ピーク赤方偏移がz ≈ 0.3にシフトし、最大検出可能赤方偏移がz ≈ 1にまで上昇する。
• 6リンクNGO構成ではイベントレートが約70件に増加するが、2 Gmアーム長の4リンクNGO構成では約95件に達する。
• クラシックLISA（6リンク、2 Gmアーム）では、NGO比で1桁の増加を示し、最大300件のEMRIを検出可能となる。
• 検出されたEMRIの大部分は10⁵〜10⁶ M☉の質量に集中しており、低スピンブラックホールではピークが~5×10⁵ M☉、高スピンでは~7×10⁵ M☉付近に位置する。
• イベントレートは、内在的EMRIレートにおける天体物理学的不確実性に対して相対的に感度が低いため、検出器構成間の相対的比較は信頼性が高い。