decigo におけるサイエンス
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DECIGO におけるサイエンス. 田中貴浩(京大基研) 第6回DECIGOワークショップ. DECIGO の意義. 何故重力波なのか. 強い重力場で一般相対論は本当に正しいのか? graviton はちゃんと伝播してくるのか? ブラックホール時空の時空構造をプローブする。 Minkowski + perturbation を越えた時空構造を初めて覗く 重力波の強い透過力 宇宙初期 を見通す力がある。インフレーション、リヒーティング コンパクト天体 の性質を調べるのに有効 バイナリーパラメータ、 NS の半径、超高密度での状態方程式の決定 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
DECIGO におけるサイエンス
田中貴浩 ( 京大基研 )
第 6 回DECIGOワークショップ
強い重力場で一般相対論は本当に正しいのか? graviton はちゃんと伝播してくるのか? ブラックホール時空の時空構造をプローブする。 Minkowski + perturbation を越えた時空構造を初めて覗く
重力波の強い透過力 宇宙初期を見通す力がある。インフレーション、リヒーティング コンパクト天体の性質を調べるのに有効 バイナリーパラメータ、 NS の半径、超高密度での状態方程式の決定 統計と宇宙論 基礎過程が理論的によく理解されている ( これからさらに理解がすすむ ) プロセス ( コンパクト天体の連星 ) がある。ビーミングも余り重要でないの で観測によってイベントレートがばっちり決まる。
DECIGO の意義何故重力波なのか
Deci Hz 帯の優位性
背景ノイズが低い 原理的には最高のS / Nが実現できるバンド free from WD-WD binary confusion noise ( >0.25Hz ) 相対論の検証、重力波の宇宙論への応用、いずれにおいても もっとも高精度な観測ができるポテンシャルがあるバンドである。
高い角度分解能 他の波長に比べて原理的に100倍高い 太陽質量程度の連星の合体予報、電磁波による観測とシンクロ
Target の存在という点においても自然 mass range としては 104 M◎ 程度までがターゲット、 ringing tail はもう少し上まで、 巨大ブラックホール、銀河中心の成長プロセスを明らかにできる。 太陽質量程度の連星も target になる。
つまり、 DECIGO が実現すれば、大きな成果を挙げることは間違いない。 それでも、現時点では野心的な計画
相対論 ☆☆☆ golden event S/N が大きい 銀河中心核 Kerr BH の geometry を高い精度で probe 例えば、 Brans-Dicke parameter への制限はすごい 宇宙論 ☆☆☆ 105envents/yr のNS - NS連星のカタログ 中質量ブラックホールのカタログ インフレーション起源の背景重力波 (複数台 / クリーニング必須) Dark Energy (Bubble) (他の観測手段もある ,ultimate DECIGO が必要)
天体物理 ☆☆☆ やはり、地上の 100Hz-kHz の方が面白いのではないか。 しかし、他の観測手段と連携したときには 合体予報ができることは非常に魅力的である。 hrms~10-23 で300Mpcまで arcmin以下の精度で位置が 0.1秒以下の精度で合体時刻が予言できる
5
NS+NS 連星 @200Mpc
重力波源の位置決定精度基本的には arrival time の差で測る
波長
‘effective な 2 台の距離’DECIGO は LISA同様の太陽公転軌道だが、観測する波長が短い
地上の干渉計は baseline が地球のサイズで制限されている
DECIGO/BBO では約1分の角度分解能が可能
合体時刻の予報も可能
3ヶ月1ヶ月
1週間1週間
(Takahashi & Nakamura Ap.J.596 L231(2003) )
6
Test of GR
Scalar-tensor type
uuuf g 16
3
128
9
55
756
37151
128
3 3/23/23/5
Current constraint on dipole radiation: BD> 140, (600) 4U 1820-30 ( NS-WD in NGC6624)
Dipole radiation = - 1 PN
(Will & Zaglauer, ApJ 346 366 (1989))
3vOfMu Effect of modified gravity theory
Graviton mass
BD 1
LISA 1.4M◎NS+400M◎BH: BD > 2×104
Decigo1.4M◎NS+10M◎BH: BD >5×109 ?
(Berti & Will, PRD71 084025(2005))
daM
gg 2
2
2
LISA 107M◎BH+107M◎BH: graviton compton wavelength g > 1kpc
(Berti & Will, PRD71 084025(2005))Constraint from future observation:
Constraint from future observation:
g > 10-3pcCurrent bound:
Neutron star binary の重力波放出による orbital decay
Inflation 起源の背景重力波• tensorゆらぎの amplitude = inflation energy scale の直接的な測定 GUT inflation の場合に GW=10-15~16
• CMB の B-mode でもわかるが r =(Tensor/Scalar)=10-2 with CMBpol or Inflation Probe
consistency relation が非常に精度良くチェックされる
r nT
• インフレーション後の宇宙の進化の過程でより大きな背景重力波が 生成された可能性もある プレヒーティングでの重力波生成 2次のゆらぎから作られるので Gaussian ではなく 2- 分布
16
Hz1.0
10 MBC
• 宇宙論的距離の Binary NS 等のシグナルが検出できるかどうか。• Critical な Noise level が存在する
• 検出できないと数が多すぎてノイズになる。 (~105events/yr)• テンプレートがあるのだから、引き去ればよい。• 原理的には可能だが現実的には可能であるのか?
クリーニングの問題
(Harms, Mahrdt, Ott, Prie)
1) Best fit の subtraction2) tangent space 成分の project out
1/1000 スケールのシミュレーション(105sec) では subtraction はできるどのあたりにシグナルがあるかは
カンニングするんだけど
BBO sensitivity で min~ 5・ 10-17
POP III SN の問題もあるが。。。
特にまとめはないです。 全てがまとめのようなものです。
以降の楽しい講演に移りましょう。
• 遠方の Binary NS のシグナルが検出できるかどうか。
• 検出できないと数が多すぎてノイズになる。(~105events/yr)
• テンプレートがあるのだから、引き去ればよい。
• 原理的には可能だが現実的には可能であるのか?
クリーニングの問題
NS binary foreground for present day event rate 10-7 Mpc-3 yr-1 (この線は若干適当です)
この rate なら完全にクリーニングできなくてもそれほど他の観測の邪魔にはならないか?
th=40 と考えるとクリーニングには3倍良い感度が必要
この図は 10-7 Mpc-3 yr-1 程度の rate の場合には FP-DECIGO base でもかなりの割合のbinary が検出されていることも意味している
Cutler & Harms を元に瀬戸さんがコンパイルした図
その他の foreground のソースとして POP-III 大質量星の超新星爆発 0.1~ 1Hzあたりで FP-DECIGO を数倍超える level にまで達する? →諏訪さんrate の評価に対して別の角度から、 →大向さんこのソースは 0.1~ 1Hzあたりでは step fn 的に見える。 subtraction が可能か? rate に非常に依るのではないか?
GW=10-12 level の背景重力波が作るノイズ
(この線は若干適当です)
Ultimate Decigo
z
zPzw
w
w
zwwzw 10
X matter (ダークエネルギー )
ただし、 conservative Decigo ではそれぞれ 103ほど大きい
R. Takahashi and T. Nakamura, Prog. Theor. Phys. 113, 63 (2005)
この精度までいけば他の方法を上回る
-3 -2 -1 1 2
-25
-24
-23
-22
-21
-20
-19
合体1年前から合体までを観測することを想定
1/2Hz/1nS
合体直前でない方が強い制限を与えるかも知れないが、
log10 f
DECIGO with other noise sources
DECIGO
NS-NS background 1%WD binary confusionNS-NS binary confusion
検算はできてないが、非常に強い制限をつけることが 可能なことは確かなようだ。
Brans-Dicke parameter
1.4M◎NS+10M◎BH の場合: BD > 2.3×109(3000Mpc/D)
1.4M◎NS+0.5M◎BH の場合: BD > 5.6×1010 (3000Mpc/D)