重力波データ統計解析に基づく重力理論の検証

• Project Area: Gravitational wave physics and astronomy: Genesis
• Project/Area Number: 20H04726
• 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: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 西澤 篤志 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (90569378)
• 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 / 重力理論の検証 / 統計解析

Outline of Research at the Start

本研究では、重力波観測データの統計解析法の開発・実証と実データの解析による重力理論の検証の二段階に大きく分けられる。コンパクト連星系における重力波の生成から宇宙空間での伝播、地球における検出と偏極モードを一貫して取り扱える、重力波による重力理論検証の統一的枠組みを完成させることを目的とし、統計データ解析の枠組みを構築し、重力波の実データによる世界最高精度での重力理論の検証を行う。

Outline of Annual Research Achievements

重力波観測は動的で強い重力場中、または、宇宙論的な距離での重力理論の検証を新たに可能性にし、既に様々な観測的検証が行われている。今後の更なる高精度での検証のためには複数の重力波データを組み合わせた統計解析が必須である。本研究の目的は、そのような統計データ解析の枠組みを構築し、実際の重力波観測データに応用して世界最高精度での重力理論の観測的検証を行うことである。
本年度は以下の成果が得られた。(1) スカラー・テンソル理論におけるスカラー偏極モードへの観測的制限：昨年度に構築したスカラー・テンソル理論における一般的な重力波形を用いて重力波観測データの解析を行い、重力波生成におけるスカラー偏極モードの存在にこれまでで最も強い制限を課した。(2) 重力波の生成と伝播を考慮した統計データ解析：昨年度に構築した、重力波の生成と伝播の効果を含む重力波形の理論的枠組みを用い、重力波信号の擬似カタログを生成し、パラメータ推定について統計的な解析した。その結果、重力波の生成と伝播の効果は複数の重力波信号を合わせて解析することで分離できることを定量的に示した。(3) アクシオン暗黒物質起源の重力波探査：アクシオンが暗黒物質の正体であった場合には、アクシオン雲中を伝播する重力波は特徴的な２次重力波を生成することが知られている。我々は重力波観測データを統計的に解析し、そのような２次重力波を探査した。信号が見つからなかったことからアクシオン暗黒物質の重力結合の強さに対してこれまでで最も強い制限を課した。(4) 重力波円偏極モード探査の前景放射：通常、コンパクト連星からの重力波が作る背景放射は円偏極成分を持たないと考えられていた。しかし、我々は波源の数が有限の場合の背景放射を計算し、統計ゆらぎによる円偏極成分が存在し、初期宇宙起源の円偏極モード探査の前景放射になることを示した。

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] カリフォルニア工科大学(米国)
• [Int'l Joint Research] パドヴァ大学(イタリア)
• [Journal Article] Distinguishing a stochastic gravitational-wave signal from correlated noise with joint parameter estimation: Fisher analysis for ground-based detectors (2023)
  • Author(s): Yoshiaki Himemoto, Atsushi Nishizawa, and Atsushi Taruya
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 107 Issue: 6 Pages: 064055-064055
  • DOI: 10.1103/physrevd.107.064055
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Search for scalar-tensor mixed polarization modes of gravitational waves (2022)
  • Author(s): Takeda Hiroki、Morisaki Soichiro、Nishizawa Atsushi
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 105 Issue: 8 Pages: 84019-84019
  • DOI: 10.1103/physrevd.105.084019
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Early warning of precessing neutron-star black-hole binary mergers with the near-future gravitational- wave detectors (2022)
  • Author(s): Takuya Tsutsui, Atsushi Nishizawa, Soichiro Morisaki
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 512 Issue: 3 Pages: 3878-3878
  • DOI: 10.1093/mnras/stac715
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Neutron displacement noise-free interferometer for gravitational-wave detection (2022)
  • Author(s): Atsushi Nishizawa, Shoki Iwaguchi, Yanbei Chen, Taigen Morimoto, Tomohiro Ishikawa, Bin Wu, Izumi Watanabe, Yuki Kawasaki, Ryuma Shimizu, Hirohiko Shimizu, Masaaki Kitaguchi, Yuta Michimura, and Seiji Kawamura
  • Journal Title: Phys. Rev. D Volume: 105 Issue: 12 Pages: 124017-124017
  • DOI: 10.1103/physrevd.105.124017
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Displacement-noise-free neutron interferometer for gravitational wave detection using a single Mach-Zehnder configuration (2022)
  • Author(s): Shoki Iwaguchi, Atsushi Nishizawa, Yanbei Chen, Yuki Kawasaki, Masaaki Kitaguchi, Taigen Morimoto, Tomohiro Ishikawa, Bin Wu, Izumi Watanabe, Ryuma Shimizu, Hirohiko Shimizu, Yuta Michimura, Seiji Kawamura
  • Journal Title: Phys. Lett. A Volume: 441 Pages: 128150-128150
  • DOI: 10.1016/j.physleta.2022.128150
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Observational constraint on axion dark matter with gravitational waves (2022)
  • Author(s): Tsutsui Takuya、Nishizawa Atsushi
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 106 Issue: 8
  • DOI: 10.1103/physrevd.106.l081301
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Displacement-noise-free interferometeric gravitational-wave detector using unidirectional neutrons with four speeds (2022)
  • Author(s): Shoki Iwaguchi, Atsushi Nishizawa, Yanbei Chen, Yuki Kawasaki, Tomohiro Ishikawa, Masaaki Kitaguchi, Yutaka Yamagata, Bin Wu, Ryuma Shimizu, Kurumi Umemura, Kenji Tsuji, Hirohiko Shimizu, Yuta Michimura, Seiji Kawamura
  • Journal Title: Phys. Lett. A Volume: 458 Pages: 128581-128581
  • DOI: 10.1016/j.physleta.2022.128581
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Impacts of overlapping gravitational-wave signals on the parameter estimation: Toward the search for cosmological backgrounds (2021)
  • Author(s): Yoshiaki Himemoto, Atsushi Nishizawa, Atsushi Taruya
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 104 Issue: 4 Pages: 044010-044010
  • DOI: 10.1103/physrevd.104.044010
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Early warning of precessing compact binary merger with third-generation gravitational-wave detectors (2021)
  • Author(s): Takuya Tsutsui, Atsushi Nishizawa, Soichiro Morisaki
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 104 Issue: 6 Pages: 064013-064013
  • DOI: 10.1103/physrevd.104.064013
  • Peer Reviewed
• [Presentation] コンパクト連星合体からの重力波の重ね合わせが作る円偏極した前景放射 (2023)
  • Author(s): 西澤篤志
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 連星系からの重力波と非線形性 (2023)
  • Author(s): 西澤篤志
  • Organizer: 生物から宇宙までの非線形現象2
• [Presentation] Observational tests of gravity with gravitational waves (2022)
  • Author(s): Atsushi Nishizawa
  • Organizer: The 9th Korea-Japan Workshop on Dark Energy
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Statistically separating the modified effects of GW generation and propagation (2022)
  • Author(s): Atsushi Nishizawa
  • Organizer: GR23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Impact of correlated noise on the parameter estimation of stochastic gravitational waves (2022)
  • Author(s): Atsushi Nishizawa
  • Organizer: The 9th KAGRA International Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Distinguishing the modified generation and propagation of gravitational waves (2022)
  • Author(s): Atsushi Nishizawa
  • Organizer: Symposium on Gravitational wave physics and astronomy: Genesis
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 重力波観測で探る極限環境での重力 (2022)
  • Author(s): 西澤篤志
  • Organizer: 第 35 回理論懇シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 重力波の生成と伝播における修正重力効果の統計的識別 (2022)
  • Author(s): 西澤篤志
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] Gravitational-wave polarization test in the strong gravity regime (2022)
  • Author(s): A. Nishizawa
  • Organizer: Innovative Area Gravitational Wave Physics and Astronomy: Genesis, Group-A Winter Camp
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 西澤篤志の研究内容
  • URL: http://www.resceu.s.u-tokyo.ac.jp/~nishizawa/research_ja.html