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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. 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

  1. 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

  2. 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。

  3. 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

  4. 　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. 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 NS+NS連星@200Mpc １週間 １週間 １ヶ月 ３ヶ月 5

  6. 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

  7. 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

  8. 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。。。

  9. 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。

  10. 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？

  11. 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

  12. 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？

  13. 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

  14. 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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