• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to previous page

Testing general relativity by gravitational wave data analysis of black hole quasinormal modes

Research Project

Project/Area Number 21K03582
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
Research InstitutionRyukoku University

Principal Investigator

中野 寛之  龍谷大学, 法学部, 教授 (80649989)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2025: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Keywords重力波物理学 / 重力波 / ブラックホール / 一般相対性理論 / 重力波天文学 / 中性子星
Outline of Research at the Start

重力波イベントGW150914により重力波物理学・天文学の扉が開かれた。本研究では、「ブラックホール準固有振動」と呼ばれる、ブラックホールが形成された際に放射されるリングダウン(減衰振動)重力波に注目する。これは、アインシュタインの一般相対性理論においては、ブラックホールの質量とスピンで記述されるシンプルな重力波である。本研究の学術的「問い」として、「ブラックホール」と呼ばれているものは、本当に一般相対性理論で予言されるものなのか?をあげる。この問いに答えるために、リングダウン重力波のより良いデータ解析法を開発し、連星合体後に生じた天体の情報を抽出することにより、一般相対性理論を検証する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、「ブラックホール準固有振動」と呼ばれるブラックホールが形成された際に放射される「リングダウン(減衰振動)重力波」に注目する。これは、アインシュタインの一般相対性理論においては、ブラックホールの質量とスピンで記述されるシンプルな重力波である。本研究の学術的「問い」として、「ブラックホール」と呼ばれているものは、本当に一般相対性理論で予言されるものなのか?をあげる。この問いに答えるために、リングダウン重力波のより良いデータ解析法を開発し、連星合体後に生じた天体の情報を抽出することにより、一般相対性理論を検証する。
本研究ではブラックホールが主役であるが、その周辺環境によってブラックホール自身の性質が変わる可能性がある。外部潮汐力に対する応答の大きさを表す「ラブ数」が、一般相対性理論におけるブラックホールではゼロであることが知られている.この情報は、例えば、連星系の合体前に放射される「インスパイラル重力波」の理論波形に明示的に組み込まれており、もしラブ数がゼロでなければ波形が異なることになる。そこで、一般相対性理論が正しいと仮定して、物質が存在するなどの周辺環境がどのようにラブ数に影響を与えるかを議論した。
一般相対性理論の検証は、それが予言する理論重力波波形からどれだけ「ずれ」ているかを議論することが多い。一方で劇的な変更を考えることもある。その1つとして、ブラックホールに重力波が吸収されることなく反射し、重力波に対するポテンシャル障壁では透過・反射が生じることによって、こだまのように繰り返し「マージャー・リングダウン重力波」が観測されることとなる「エコー重力波」が提案されている。地上重力波望遠鏡の第3次観測(O3)からのデータを用い、このエコー重力波の存在について解析を行ったが、その存在は確認されなかった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は、一般相対性理論におけるブラックホールの性質に関する理論的な基礎研究(Takuya Katagiri, Masashi Kimura, Hiroyuki Nakano, Kazuyuki Omukai, Phys. Rev. D 107, 124030 (2023))をまず行い、解析手法は異なるがその延長線上で一般相対性理論の検証において問題となる周辺環境の影響について(Takuya Katagiri, Hiroyuki Nakano, Kazuyuki Omukai, Phys. Rev. D 108, 084049 (2023))として研究成果を出版した。後者の研究もまた重力波観測と直結するものではないが、重力波データ解析に必要不可欠な理論重力波波形の構築の際の要素の1つとなる。
リングダウン重力波の信号雑音強度比は、現在の重力波望遠鏡においてはまだ十分に大きいとは言えず、統計誤差により一般相対性理論の検証が邪魔されている。このことから、一般相対性理論との相違点を明らかにしやすい比較的大きな信号雑音強度比が期待される理論重力波波形であるエコー重力波に注目することは有用である。これまでの観測データを用いて、その波形に対する検証を(Nami Uchikata, Tatsuya Narikawa, Hiroyuki Nakano, Norichika Sago, Hideyuki Tagoshi, Takahiro Tanaka, Phys. Rev. D 108, 104040 (2023))で行うことができた。
また、正誤表を(James Healy, Carlos O Lousto, Hiroyuki Nakano, Yosef Zlochower, Class. Quantum Grav. 40, 249502 (2023))として出版した。

Strategy for Future Research Activity

地上重力波望遠鏡の第4次観測(O4)が進行している。感度はO4内でも徐々に向上しているが、劇的な感度上昇は第5次観測(O5)を待つ必要がある。リングダウン重力波に対するスタンダードな一般相対性理論の検証方法は、ブラックホール準固有振動の基音・倍音・高調波を用いたブラックホールの質量・スピンを見積もる無矛盾テストである。しかしながら、この方法ではそれぞれの波形ごとに分解して解析が行われるため、信号雑音強度比が十分大きい必要がある。
このことから、信号雑音強度比が比較的小さな場合でも検証を行うことができるエコー重力波に注目していく。この重力波データ解析には改善の余地があり、具体的には、エコー重力波の高調波を考慮する。より詳細なモデルを考えることによって、もしエコー重力波が存在すれば信号雑音強度比の向上を見込むことができる。つまり、一般相対性理論の検証がより行いやすくなることを意味する。
本年度の研究成果であるブラックホールの周辺環境の影響の研究の結果であるゼロでないラブ数を、連星ブラックホールからの理論重力波波形に組み込むことを考える必要がある。これまでにも中性子星を含むコンパクト天体連星系からの理論重力波波形には、ゼロでないラブ数の効果が考慮されているが、全く同じ理論波形で良いのかという点から議論を進めていく。
また、連星ブラックホールの重力波イベント数はどんどん増加しており,重力波データ解析の結果を統計的に利用することは有用である。比較的決定精度が良いチャープ質量(インスパイラル重力波波形に含まれる特徴的な連星系の質量の組み合わせ)と質量比を統計的に取り扱い、連星進化シミュレーションの結果と比較することにより、重力波で観測されている連星ブラックホールの起源に迫りたい。

Report

(3 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (33 results)

All 2023 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (9 results) Journal Article (14 results) (of which Int'l Joint Research: 11 results,  Peer Reviewed: 14 results,  Open Access: 4 results) Presentation (4 results) (of which Invited: 2 results) Book (1 results) Remarks (5 results)

  • [Int'l Joint Research] Niels Bohr Institute(デンマーク)

    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Int'l Joint Research] Rochester Institute of Technology(米国)

    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Int'l Joint Research] University of Southampton(英国)

    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Int'l Joint Research] UFRN(ブラジル)

    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Int'l Joint Research] California Institute of Technology/Rochester Institute of Technology(米国)

    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Int'l Joint Research] Rochester Institute of Technology/NASA Goddard Space Flight Center/Johns Hopkins University(米国)

    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Int'l Joint Research] University of Southampton(英国)

    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Int'l Joint Research] UFRN(ブラジル)

    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Int'l Joint Research] IAR(アルゼンチン)

    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Journal Article] Vanishing Love numbers of black holes in general relativity: From spacetime conformal symmetry of a two-dimensional reduced geometry2023

    • Author(s)
      Katagiri Takuya、Kimura Masashi、Nakano Hiroyuki、Omukai Kazuyuki
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 107 Issue: 12 Pages: 124030-124030

    • DOI

      10.1103/physrevd.107.124030

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Stability of relativistic tidal response against small potential modification2023

    • Author(s)
      Katagiri Takuya、Nakano Hiroyuki、Omukai Kazuyuki
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 108 Issue: 8 Pages: 084049-084049

    • DOI

      10.1103/physrevd.108.084049

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Searching for gravitational wave echoes from black hole binary events in the third observing run of LIGO, Virgo, and KAGRA collaborations2023

    • Author(s)
      Uchikata Nami、Narikawa Tatsuya、Nakano Hiroyuki、Sago Norichika、Tagoshi Hideyuki、Tanaka Takahiro
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 108 Issue: 10 Pages: 104040-104040

    • DOI

      10.1103/physrevd.108.104040

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Corrigendum: Post-Newtonian quasicircular initial orbits for numerical relativity (2017 Class. Quantum Grav. 34?145011)2023

    • Author(s)
      Healy James、Lousto Carlos O、Nakano Hiroyuki、Zlochower Yosef
    • Journal Title

      Classical and Quantum Gravity

      Volume: 40 Issue: 24 Pages: 249502-249502

    • DOI

      10.1088/1361-6382/ad06c6

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Adiabatic Waveforms from Extreme-Mass-Ratio Inspirals: An Analytical Approach2022

    • Author(s)
      Isoyama Soichiro、Fujita Ryuichi、Chua Alvin J.?K.、Nakano Hiroyuki、Pound Adam、Sago Norichika
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 128 Issue: 23 Pages: 231101-231101

    • DOI

      10.1103/physrevlett.128.231101

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Constraints on population I/II neutron star-black hole binary formation by gravitational wave and radio observations2022

    • Author(s)
      Kinugawa Tomoya、Nakamura Takashi、Nakano Hiroyuki
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters

      Volume: 515 Issue: 1 Pages: L78-L83

    • DOI

      10.1093/mnrasl/slac073

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Eccentricity estimation from initial data for numerical relativity simulations2022

    • Author(s)
      Ciarfella Alessandro、Healy James、Lousto Carlos O.、Nakano Hiroyuki
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 106 Issue: 10 Pages: 104035-104035

    • DOI

      10.1103/physrevd.106.104035

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Circumbinary Disk Accretion into Spinning Black Hole Binaries2021

    • Author(s)
      Lopez Armengol Federico G.、Combi Luciano、Campanelli Manuela、Noble Scott C.、Krolik Julian H.、Bowen Dennis B.、Avara Mark J.、Mewes Vassilios、Nakano Hiroyuki
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 913 Issue: 1 Pages: 16-16

    • DOI

      10.3847/1538-4357/abf0af

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Gravitational waves from Population III binary black holes are consistent with LIGO/Virgo O3a data for the chirp mass larger than ?20 M?2021

    • Author(s)
      Kinugawa Tomoya、Nakamura Takashi、Nakano Hiroyuki
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters

      Volume: 504 Issue: 1 Pages: L28-L33

    • DOI

      10.1093/mnrasl/slab032

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Post-Newtonian Templates for Gravitational Waves from Compact Binary Inspirals2021

    • Author(s)
      Isoyama Soichiro、Sturani Riccardo、Nakano Hiroyuki
    • Journal Title

      Handbook of Gravitational Wave Astronomy. Springer, Singapore.

      Volume: 1 Pages: 1-49

    • DOI

      10.1007/978-981-15-4702-7_31-1

    • ISBN
      9789811547027
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Superposed metric for spinning black hole binaries approaching merger2021

    • Author(s)
      Combi Luciano、Armengol Federico G. Lopez、Campanelli Manuela、Ireland Brennan、Noble Scott C.、Nakano Hiroyuki、Bowen Dennis
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 104 Issue: 4 Pages: 044041-044041

    • DOI

      10.1103/physrevd.104.044041

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Local and approximate classification of spacetimes in the transverse frames2021

    • Author(s)
      Rosato Nicole、Nakano Hiroyuki、Lousto Carlos O.
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 104 Issue: 4 Pages: 044047-044047

    • DOI

      10.1103/physrevd.104.044047

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Fundamental Tone and Overtones of Quasinormal Modes in Ringdown Gravitational Waves: A Detailed Study in Black Hole Perturbation2021

    • Author(s)
      Sago Norichika、Isoyama Soichiro、Nakano Hiroyuki
    • Journal Title

      Universe

      Volume: 7 Issue: 10 Pages: 357-357

    • DOI

      10.3390/universe7100357

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Mass-ratio and Magnetic Flux Dependence of Modulated Accretion from Circumbinary Disks2021

    • Author(s)
      Noble Scott C.、Krolik Julian H.、Campanelli Manuela、Zlochower Yosef、Mundim Bruno C.、Nakano Hiroyuki、Zilh?o Miguel
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 922 Issue: 2 Pages: 175-175

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac2229

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 連星ブラックホール重力波研究の最前線2023

    • Author(s)
      中野寛之
    • Organizer
      日本物理学会 第78回年次大会(2023年)重力波第4期観測と理論研究の進展
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] ブラックホール準固有振動の基音,倍音,高調波,2次摂動2022

    • Author(s)
      中野寛之
    • Organizer
      ブラックホール準固有振動研究会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 連星ブラックホールと離心率2022

    • Author(s)
      中野寛之
    • Organizer
      第22回DECIGOワークショップ
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] リングダウン重力波2021

    • Author(s)
      中野 寛之
    • Organizer
      新学術「重力波物理学・天文学:創世記」A01戦略会議
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Book] 重力波・摂動論2022

    • Author(s)
      中野 寛之、佐合 紀親
    • Total Pages
      272
    • Publisher
      朝倉書店
    • ISBN
      9784254135312
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Remarks] ブラックホール準固有振動の重力波データ解析 による一般相対論の検証 (21K03582)

    • URL

      https://sites.google.com/site/denden919/home/japanese/21K03582

    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Remarks] BHPC: Black Hole Perturbation Club

    • URL

      https://sites.google.com/view/bhpc1996/home

    • Related Report
      2023 Research-status Report 2022 Research-status Report
  • [Remarks] ブラックホール準固有振動の重力波データ解析 による一般相対論の検証

    • URL

      https://sites.google.com/site/denden919/home/japanese/21K03582

    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Remarks] Black Hole Perturbation Club

    • URL

      https://sites.google.com/view/bhpc1996/home

    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Remarks] ブラックホール準固有振動の重力波データ解析 による一般相対論の検証(21K03582)

    • URL

      https://sites.google.com/site/denden919/home/japanese/21K03582

    • Related Report
      2021 Research-status Report

URL: 

Published: 2021-04-28   Modified: 2024-12-25  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi