2023 Fiscal Year Research-status Report
Testing general relativity by gravitational wave data analysis of black hole quasinormal modes
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21K03582
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| Research Institution | Ryukoku University |
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Principal Investigator |
中野 寛之 龍谷大学, 法学部, 教授 (80649989)
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2021-04-01 – 2026-03-31
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| 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 |
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| 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。
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| 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。
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| 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。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍のため、多くの学会・研究会がオンライン開催され、旅費として使用することができなかったととと、数式処理ソフトウェアの半額キャンペーンを利用することができたことによる2022年度分の繰越金額が大きかった。本年度は旅費の使用が増えその繰越金額が減少、次年度は、積極的な出張による旅費の使用、また物品費として使用することにより、本研究を推進していく。
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| Remarks |
KAGRAコラボレーションのauthorshipを有しているが、The LIGO Scientific Collaboration, the Virgo Collaboration, the KAGRA Collaborationの論文は【雑
誌論文】の業績に含めていない。
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