[論文レビュー] The unique potential of extreme mass-ratio inspirals for gravitational-wave astronomy

C. P. L. Berry, Scott A. Hughes+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 3被引用数 49

ひとこと要約

LISA によって観測される EMRIs は、巨大ブラックホールの特性の高精度測定、強場重力の検証、ブラックホール時空のマッピング、そして宇宙論の制約を可能にする。

ABSTRACT

The inspiral of a stellar-mass compact object into a massive ($\sim 10^{4}$-$10^{7} M_{\odot}$) black hole produces an intricate gravitational-wave signal. Due to the extreme-mass ratios involved, these systems complete $\sim 10^{4}$-$10^{5}$ orbits, most of them in the strong-field region of the massive black hole, emitting in the frequency range $\sim10^{-4}-1~$Hz. This makes them prime sources for the space-based observatory LISA (Laser Interferometer Space Antenna). LISA observations will enable high-precision measurements of the physical characteristics of these extreme-mass-ratio inspirals (EMRIs): redshifted masses, massive black hole spin and orbital eccentricity can be determined with fractional errors $\sim 10^{-4}$-$10^{-6}$, the luminosity distance with better than $\sim 10\%$ precision, and the sky localization to within a few square degrees. EMRIs will provide valuable information about stellar dynamics in galactic nuclei, as well as precise data about massive black hole populations, including the distribution of masses and spins. They will enable percent-level measurements of the multipolar structure of massive black holes, precisely testing the strong-gravity properties of their spacetimes. EMRIs may also provide cosmographical data regarding the expansion of the Universe if inferred source locations can be correlated with galaxy catalogs.

研究の動機と目的

• LISA による重力波天文学における EMRIs の科学的価値を動機づける。
• EMRIs が巨大ブラックホールの質量、スピン、周囲環境の精密測定を可能にする方法を概説する。
• EMRIs が Kerr spacetime を検証し、基本物理を探る方法を説明する。
• MBH 集団、星の動力学、銀河の進化に対する天体物理学的含意について論じる。
• 宇宙論の標準サイレンとしての EMRIs の役割を強調する。

提案手法

• LISA帯における EMRI GW 信号の特徴と典型的な事象率を説明する。
• 自己力波形モデリングのアプローチと現在の状態（第一/第二）を要約する。
• 解析的および数値的 kludge 波形モデルを比較し、パラメータ推定への利用を比較検討する。
• 一時的共振（transient resonances）と、それらがモデリングおよび重力検証に及ぼす影響について論じる。
• EMRI サイエンスを実現するために、正確でバイアスのない波形モデルの必要性を主張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LISA で EMRIs は MBH の質量とスピンをどれくらい正確に測定できるのか？
• RQ2 EMRIs は MBH 集団の性質と周囲の星動力学から何を明らかにできるのか？
• RQ3 EMRIs は Kerr spacetime を検証し、他の重力理論を制約できるのか？
• RQ4 LISA で検出可能な EMRIs はどれくらいで、赤方偏移分布はどうなるのか？
• RQ5 EMRIs は宇宙論を知らせる標準サイレンとして機能できるのか？

主な発見

• EMRIs による MBH の質量とスピンの測定精度は、質量およびスピンに対して約 10^-6 から 10^-4 の分数精度を達成する。
• Redshifted MBH masses can be measured with fractional precision ~10^-6 to ~10^-4, while distances have ~3%–30% precision and sky localization to a few square degrees.
• GM measures of SCO masses can reach ~10^-4–10^-7 precision, enabling a census of SCOs in galactic nuclei.
• EMRIs は MBH の多重極モーメントを百分率レベルで測定し、GR と Kerr spacetime によって予測される強場構造の検証を可能にする。
• 結Detection rates are uncertain but could be hundreds per year, depending on MBH populations and environments.