Measurements of small-scale density fluctuations with gravitational waves

• Project Area: Gravitational wave physics and astronomy: Genesis
• Project/Area Number: 20H04725
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Chiba University (2021); The University of Tokyo (2020)
• Principal Investigator: 大栗 真宗 千葉大学, 先進科学センター, 教授 (60598572)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 重力波 / 重力レンズ / ダークマター / 暗黒物質 / 観測的宇宙論

Outline of Research at the Start

宇宙の構造形成進化の理論としてコールドダークマター理論は大きな成功をおさめているが、それが予言するダークマター小スケール分布は観測との矛盾の可能性が指摘されており論争となっている。本研究の目的は、コンパクト連星合体由来の重力波を利用した小スケールダークマター分布の新しい測定手法を確立すること、および小スケールダークマター分布の測定量と様々なダークマター理論との対応関係をより深く理解することである。この研究によって、コンパクト連星合体由来の重力波をダークマター研究の新しいツールとして確立しその有用性を定量化することが最終的な目標である。

Outline of Annual Research Achievements

重力波を用いたダークマター小スケール分布測定に向けて多くの研究成果がえられた。波動光学重力レンズ効果の計算においては重力レンズポテンシャルを積分する必要があるが、その重力レンズポテンシャルを現実的なモデルとしてよく採用される楕円NFW分布と楕円Hernquist分布で大幅に高速化する新手法を開発した。これにより波動光学効果を現実的な質量モデルで計算する可能性が拓かれた。また非常に質量の軽いファジーダークマターモデルにおいてその小スケールパワースペクトルを解析的に計算する解析モデルを考案した。さらに、重力レンズにより増光された重力波が小スケール密度ゆらぎによって振幅と位相にどのような摂動を受けるかの一般的な式を導出することに成功した。この式をもちいて、ダークマターサブハローやファジーダークマター、原始ブラックホールなどのモデルで期待される振幅と位相の摂動の大きさを議論し、増光率のおおきな像の場合に波動光学効果が現実的に検出可能であることを指摘した。これらの研究成果により、重力波を用いて非常に小さなスケールの密度ゆらぎを検出するための基本的な理論的枠組みがほぼととのったことになり、今後の研究の展開に期待がもたれる。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 香港大学(中国)
• [Int'l Joint Research] バスク大学(スペイン)
• [Journal Article] An Analytic Model for the Subgalactic Matter Power Spectrum in Fuzzy Dark Matter Halos (2022)
  • Author(s): Kawai Hiroki、Oguri Masamune、Amruth Alfred、Broadhurst Tom、Lim Jeremy
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 925 Issue: 1 Pages: 61-61
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac39a2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fast Calculation of Gravitational Lensing Properties of Elliptical Navarro?Frenk?White and Hernquist Density Profiles (2021)
  • Author(s): Oguri Masamune
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of the Pacific Volume: 133 Issue: 1025 Pages: 074504-074504
  • DOI: 10.1088/1538-3873/ac12db
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Probing Dark Low-mass Halos and Primordial Black Holes with Frequency-dependent Gravitational Lensing Dispersions of Gravitational Waves (2020)
  • Author(s): Oguri Masamune、Takahashi Ryuichi
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 901 Issue: 1 Pages: 58-58
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abafab
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Caustic crossings as a dark matter probe (2022)
  • Author(s): Masamune Oguri
  • Organizer: What is dark matter? - Comprehensive study of the huge discovery space in dark matter