2016 Fiscal Year Research-status Report
連星ブラックホールからの重力波による一般相対論の多角的な検証法の確立
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16K05347
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
中野 寛之 京都大学, 理学研究科, 特定研究員 (80649989)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 重力波物理学 / 重力波天文学 / 重力波 / ブラックホール / 一般相対性理論 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
連星ブラックホールからの重力波を用いた，アインシュタインの一般相対論に対する様々な角度からの厳格な検証法を確立することが，本研究の目的である．具体的には，ブラックホールが一般相対論で予言されるものなのかどうか？強い重力場での一般相対論（アインシュタイン方程式の非線形性）は正しいのか？という問いに答えることができるようにすることである．
一般相対論におけるブラックホールで，宇宙に存在していると考えられているものは，質量と回転パラメータで特徴づけられるカーブラックホールである．もし，減衰振動する「リングダウン」重力波の中で，ブラックホール特有の準固有振動が観測されれば，ブラックホールのスピンパラメータが大きい場合には，この特有の重力波は事象の地平面のかなり近い所から放出されることを明らかにした．
ブラックホールが連星系を成していると，重力波を放射しながら徐々に軌道間隔を縮めていく時に軌道運動に対応する「インスパイラル」重力波が観測される．この波形は，低速度・弱い重力場近似であるポストニュートン近似を用いて解析的に導出される．一般相対論の検証のためには，精度の高い理論波形の予測が必要不可欠であるが，この近似法の収束性はあまり理解されていない．ある近似のオーダーで見かけ上精度が良くなることがあるが，一般的には高次にすればするほど近似が良くなることを明らかにした．
また，初代天体（種族III星）起源の連星ブラックホールの合体後にできるブラックホールからの「リングダウン」重力波は，日本の地上重力波検出器KAGRAを用いると，1年間に5.9～500くらいのイベントが期待できることを示した．「リングダウン」重力波によって一般相対性理論の検証が行える大きな信号雑音強度比（SNR>35）のイベントは，1年間に数イベントと予測される．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
2016年2月11日に発表された世界初，アメリカのAdvanced LIGOによる重力波の直接観測（イベント名：GW150914，B. P. Abbott et al. [LIGO Scientific and Virgo Collaborations], Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016)）により，本研究に関連する分野は，世界的に加速している．
このGW150914は，太陽質量の30倍程度の2つのブラックホールが合体する際に放射された重力波と同定された．本研究の研究課題「連星ブラックホールからの重力波による一般相対論の多角的な検証法の確立」に対するゴールデンイベントと呼ばれるべきものである．実際，このイベントとその後のGW151226（B. P. Abbott et al. [LIGO Scientific and Virgo Collaborations], Phys. Rev. Lett. 116, 241103 (2016)）を用いて，LIGOとヨーロッパのVIRGOの共同グループが一般相対論の検証を進めており，現在までのところ，一般相対論の予言とデータは無矛盾であることが示されている（B. P. Abbott et al. [LIGO Scientific and Virgo Collaborations], Phys. Rev. X 6, 041015 (2016)）．
また，平成29年度以降の研究計画として挙げていた，連星ブラックホールからの重力波の「インスパイラル」と「リングダウン」のパラメータを関連付けるのフィッティング公式は，（F. Hofmann, E. Barausse, L. Rezzolla, Astrophys. J. 825, L19 (2016)）により精度の高いものが用意された状況である．
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| Strategy for Future Research Activity |
上記の2つの重力波イベントを受けて，現在の地上重力波検出器の観測周波数帯と連星ブラックホールの質量との関係から，連星ブラックホールからの重力波における「リングダウン」部分の信号雑音強度比は，「インスパイラル」部分と比較すると非常に小さいという知見を得た．
このことから，「リングダウン」部分を重力波データ解析によって，如何に効率よく抽出し，一般相対論の検証につなげるかという研究を推進していく．現在は，まだ信号雑音強度比は小さいが，重力波の直接検出によりさらに感度向上を目指したアメリカ主導の地上重力波検出器（Cosmic Explorer）の計画もあることから，今後，有用となる研究となると考えられる．
一方で，Advanced LIGOのfirst observation run (O1) の中で，上記のイベントは検出されたが，2016年11月30日からは第2回目の観測 （O2）が始まっている．1ヶ月に一度，偽の検出を許す緩い制限の下では，現時点では3つの重力波イベント候補があったと報告されている．このような状況の下では，信号雑音強度比が大きい「インスパイラル」部分に特化した一般相対論の検証に対する研究も推進すべきである．この研究は，特にアインシュタイン方程式の高次摂動展開からの非線形性の検証につながる．
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[Journal Article] Pre-DECIGO can get the smoking gun to decide the astrophysical or cosmological origin of GW150914-like binary black holes2016
Author(s)
Takashi Nakamura, Masaki Ando, Tomoya Kinugawa, Hiroyuki Nakano, Kazunari Eda, Shuichi Sato, Mitsuru Musha, Tomotada Akutsu, Takahiro Tanaka, Naoki Seto, Nobuyuki Kanda, Yousuke Itoh
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Journal Title
Prog. Theor. Exp. Phys.
Volume: 2016
Pages: 093E01
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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