[論文レビュー] The Gravitational Universe

The Elisa Consortium, :+159 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2013

Computational Physics and Python Applications被引用数 137

ひとこと要約

本論文では、全天空にわたる時空の揺らぎを検出することを目的とした宇宙空間に設置される重力波観測所eLISAが提案されている。この観測所により、ブラックホール形成、銀河進化、一般相対性理論の検証といった、未曾有の観測が可能となる。eLISAは、z ~ 20から現在までの宇宙の歴史にわたる源からの重力波を測定することで、初期宇宙および極端な重力環境に関する直接的な知見を提供する。

ABSTRACT

The last century has seen enormous progress in our understanding of the Universe. We know the life cycles of stars, the structure of galaxies, the remnants of the big bang, and have a general understanding of how the Universe evolved. We have come remarkably far using electromagnetic radiation as our tool for observing the Universe. However, gravity is the engine behind many of the processes in the Universe, and much of its action is dark. Opening a gravitational window on the Universe will let us go further than any alternative. Gravity has its own messenger: Gravitational waves, ripples in the fabric of spacetime. They travel essentially undisturbed and let us peer deep into the formation of the first seed black holes, exploring redshifts as large as z ~ 20, prior to the epoch of cosmic re-ionisation. Exquisite and unprecedented measurements of black hole masses and spins will make it possible to trace the history of black holes across all stages of galaxy evolution, and at the same time constrain any deviation from the Kerr metric of General Relativity. eLISA will be the first ever mission to study the entire Universe with gravitational waves. eLISA is an all-sky monitor and will offer a wide view of a dynamic cosmos using gravitational waves as new and unique messengers to unveil The Gravitational Universe. It provides the closest ever view of the early processes at TeV energies, has guaranteed sources in the form of verification binaries in the Milky Way, and can probe the entire Universe, from its smallest scales around singularities and black holes, all the way to cosmological dimensions.

研究の動機と目的

• 動的な宇宙現象を観測可能な包括的で全天空の重力波モニタリング能力を確立すること。
• 赤方偏移z ~ 20の最初の種ブラックホールから現在のシステムに至るまでの、ブラックホールの形成と進化を追跡すること。
• ブラックホールの質量とスピンの精密測定を通じて、一般相対性理論の予測、特にKerr計量の検証をすること。
• 機器のキャリブレーションと検証のための保証されたソースとして、ミルキーウェイ内の検証バイナリを検出・特徴付けること。
• 重力波を新たな観測窓として用いて、宇宙論的スケールおよび極端な重力環境（特異点や初期宇宙など）を調べること。

提案手法

• 太陽軌道上を周回する三機の宇宙船がつくる三角形レーザー干渉計を用い、ナノメートルスケールの精度で重力波を検出する。
• 各宇宙船内の自由落下する試験質量間のレーザー干渉測定により、通過する重力波によって引き起こされる時空の歪みを測定する。
• 質量の大きなブラックホール合体や極端質量比降下（EMRI）に最適化された低周波帯（0.1 mHz ～ 1 Hz）を活用する。
• 天体的背景と機器ノイズから微弱な重力波信号を抽出するための高度なデータ解析技術を採用する。
• ミッションの感度と応答性のキャリブレーションと検証のため、ミルキーウェイ内の近接二重星系（検証バイナリ）を既知のソースとして活用する。
• 可能な限り、重力波検出を電磁波およびニュートリノ観測と照合するためのマルチバンド・マルチメッセンジャーデータ統合を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力波観測は、赤方偏移z ~ 20における最初のブラックホールの形成歴史をどの程度制約できるか？
• RQ2 測定されたブラックホールの質量とスピンは、一般相対性理論におけるKerr計量の予測からどの程度ずれるか？
• RQ3 質量の大きなブラックホールの分布と進化は、宇宙の歴史にわたってどのように変化し、銀河形成と相関するか？
• RQ4 eLISAは初期宇宙における極端質量比降下および中質量ブラックホールを検出・特徴付けることができるか？
• RQ5 このミッションは、一時的および持続的重力波源の全天空連続監視として、どの程度効果的に機能するか？

主な発見

• eLISAは、赤方偏移z ~ 20までのブラックホール合体や極端質量比降下からの重力波を検出可能であり、宇宙再イオン化以前の時代を調べられる。
• ミッションは、1パーセント未満の精度でブラックホールの質量とスピンを精密に測定でき、Kerr計量の厳密な検証が可能となる。
• ミルキーウェイ内の検証バイナリは、機器キャリブレーションと性能検証のための保証された、良好に特徴付けられたソースを提供する。
• eLISAは、宇宙論的距離および極端な重力環境における動的な宇宙の独自の全天空ビューを提供する。
• 電磁的手段では到達できない、初期宇宙のTeVスケールの物理的過程の重力波シグナルを通じて、それらを調べられる。
• ミッション設計により、一時的イベントと連続的重力波信号の両方に対する感度が確保され、重力宇宙の包括的モニタリングが可能となる。