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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

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DECIGO におけるサイエンス

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Presentation Transcript


Decigo

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


Decigo1

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

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

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


Decigo

 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


Decigo

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

(Takahashi & Nakamura Ap.J.596 L231(2003) )

合体時刻の予報も可能

[email protected]

1週間

1週間

1ヶ月

3ヶ月

5


Decigo

  • Test of GR

Effect of modified gravity theory

Scalar-tensor type

Graviton mass

Dipole radiation = -1 PN

Current constraint on dipole radiation:

wBD>140, (600)

4U 1820-30(NS-WD in NGC6624)

Constraint from future observation:

LISA-107M◎BH+107M◎BH:

graviton compton wavelength

lg > 1kpc

(Will & Zaglauer, ApJ 346 366 (1989))

(Berti & Will, PRD71 084025(2005))

Constraint from future observation:

LISA-1.4M◎NS+400M◎BH: wBD > 2×104

Current bound:

lg > 10-3pc

(Berti & Will, PRD71 084025(2005))

Neutron star binaryの重力波放出によるorbital decay

Decigo-1.4M◎NS+10M◎BH: wBD >5×109 ?

6


Inflation

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 WGW=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 c 2-分布


Decigo

クリーニングの問題

  • 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?

(Harms, Mahrdt, Ott, Prieb 0803.0226)

1) Best fitのsubtraction

2) 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 Wmin~5・10-17

POP III SNの問題もあるが。。。


Decigo

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。


Decigo

クリーニングの問題

  • 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?


Decigo

Cutler & Harmsを元に瀬戸さんがコンパイルした図

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?

rth=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


Decigo

WGW=10-12levelの背景

重力波が作るノイズ

(この線は若干適当です)

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?


Decigo

R. Takahashi and T. Nakamura, Prog. Theor. Phys. 113, 63 (2005)

X matter (ダークエネルギー)

Ultimate Decigo

この精度までいけば他の方法を上回る

ただし、conservative Decigoではそれぞれ103ほど大きい


Decigo

Brans-Dicke parameter

DECIGO

DECIGO with other noise sources

NS-NS background 1%

WD binary confusion

NS-NS binary confusion

log10f

  • 合体1年前から合体までを観測することを想定

合体直前でない方が強い制限を与えるかも知れないが、

1.4M◎NS+0.5M◎BHの場合: wBD > 5.6×1010 (3000Mpc/D)

1.4M◎NS+10M◎BHの場合: wBD > 2.3×109(3000Mpc/D)

  • 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。


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