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 Presentation

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Page 1: DECIGO におけるサイエンス

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

Page 2: DECIGO におけるサイエンス

 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

Page 3: DECIGO におけるサイエンス

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

Page 4: DECIGO におけるサイエンス

 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              

Page 5: DECIGO におけるサイエンス

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) )

Page 6: DECIGO におけるサイエンス

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

Page 7: DECIGO におけるサイエンス

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

Page 8: DECIGO におけるサイエンス

• 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。。。

Page 9: DECIGO におけるサイエンス

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。

Page 10: DECIGO におけるサイエンス

• 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

Page 11: DECIGO におけるサイエンス

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

Page 12: DECIGO におけるサイエンス

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)

Page 13: DECIGO におけるサイエンス

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

Page 14: DECIGO におけるサイエンス

-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)