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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

研究課題

研究課題/領域番号 21K03582
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分15010:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する理論
研究機関龍谷大学

研究代表者

中野 寛之  龍谷大学, 法学部, 教授 (80649989)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2025年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2024年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2022年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2021年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
キーワード重力波物理学 / 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
研究開始時の研究の概要

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。

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

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。

今後の研究の推進方策

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。

報告書

(3件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (33件)

すべて 2023 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (9件) 雑誌論文 (14件) (うち国際共著 11件、 査読あり 14件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (4件) (うち招待講演 2件) 図書 (1件) 備考 (5件)

  • [国際共同研究] Niels Bohr Institute(デンマーク)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Rochester Institute of Technology(米国)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [国際共同研究] University of Southampton(英国)

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [国際共同研究] UFRN(ブラジル)

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [国際共同研究] California Institute of Technology/Rochester Institute of Technology(米国)

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Rochester Institute of Technology/NASA Goddard Space Flight Center/Johns Hopkins University(米国)

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [国際共同研究] University of Southampton(英国)

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [国際共同研究] UFRN(ブラジル)

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [国際共同研究] IAR(アルゼンチン)

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Vanishing Love numbers of black holes in general relativity: From spacetime conformal symmetry of a two-dimensional reduced geometry2023

    • 著者名/発表者名
      Katagiri Takuya、Kimura Masashi、Nakano Hiroyuki、Omukai Kazuyuki
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 107 号: 12 ページ: 124030-124030

    • DOI

      10.1103/physrevd.107.124030

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Stability of relativistic tidal response against small potential modification2023

    • 著者名/発表者名
      Katagiri Takuya、Nakano Hiroyuki、Omukai Kazuyuki
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 108 号: 8 ページ: 084049-084049

    • DOI

      10.1103/physrevd.108.084049

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Searching for gravitational wave echoes from black hole binary events in the third observing run of LIGO, Virgo, and KAGRA collaborations2023

    • 著者名/発表者名
      Uchikata Nami、Narikawa Tatsuya、Nakano Hiroyuki、Sago Norichika、Tagoshi Hideyuki、Tanaka Takahiro
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 108 号: 10 ページ: 104040-104040

    • DOI

      10.1103/physrevd.108.104040

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Corrigendum: Post-Newtonian quasicircular initial orbits for numerical relativity (2017 Class. Quantum Grav. 34?145011)2023

    • 著者名/発表者名
      Healy James、Lousto Carlos O、Nakano Hiroyuki、Zlochower Yosef
    • 雑誌名

      Classical and Quantum Gravity

      巻: 40 号: 24 ページ: 249502-249502

    • DOI

      10.1088/1361-6382/ad06c6

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Adiabatic Waveforms from Extreme-Mass-Ratio Inspirals: An Analytical Approach2022

    • 著者名/発表者名
      Isoyama Soichiro、Fujita Ryuichi、Chua Alvin J.?K.、Nakano Hiroyuki、Pound Adam、Sago Norichika
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 128 号: 23 ページ: 231101-231101

    • DOI

      10.1103/physrevlett.128.231101

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Constraints on population I/II neutron star-black hole binary formation by gravitational wave and radio observations2022

    • 著者名/発表者名
      Kinugawa Tomoya、Nakamura Takashi、Nakano Hiroyuki
    • 雑誌名

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters

      巻: 515 号: 1 ページ: L78-L83

    • DOI

      10.1093/mnrasl/slac073

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Eccentricity estimation from initial data for numerical relativity simulations2022

    • 著者名/発表者名
      Ciarfella Alessandro、Healy James、Lousto Carlos O.、Nakano Hiroyuki
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 106 号: 10 ページ: 104035-104035

    • DOI

      10.1103/physrevd.106.104035

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Circumbinary Disk Accretion into Spinning Black Hole Binaries2021

    • 著者名/発表者名
      Lopez Armengol Federico G.、Combi Luciano、Campanelli Manuela、Noble Scott C.、Krolik Julian H.、Bowen Dennis B.、Avara Mark J.、Mewes Vassilios、Nakano Hiroyuki
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 913 号: 1 ページ: 16-16

    • DOI

      10.3847/1538-4357/abf0af

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Gravitational waves from Population III binary black holes are consistent with LIGO/Virgo O3a data for the chirp mass larger than ?20 M?2021

    • 著者名/発表者名
      Kinugawa Tomoya、Nakamura Takashi、Nakano Hiroyuki
    • 雑誌名

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters

      巻: 504 号: 1 ページ: L28-L33

    • DOI

      10.1093/mnrasl/slab032

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Post-Newtonian Templates for Gravitational Waves from Compact Binary Inspirals2021

    • 著者名/発表者名
      Isoyama Soichiro、Sturani Riccardo、Nakano Hiroyuki
    • 雑誌名

      Handbook of Gravitational Wave Astronomy. Springer, Singapore.

      巻: 1 ページ: 1-49

    • DOI

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

    • ISBN
      9789811547027
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Superposed metric for spinning black hole binaries approaching merger2021

    • 著者名/発表者名
      Combi Luciano、Armengol Federico G. Lopez、Campanelli Manuela、Ireland Brennan、Noble Scott C.、Nakano Hiroyuki、Bowen Dennis
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 104 号: 4 ページ: 044041-044041

    • DOI

      10.1103/physrevd.104.044041

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Local and approximate classification of spacetimes in the transverse frames2021

    • 著者名/発表者名
      Rosato Nicole、Nakano Hiroyuki、Lousto Carlos O.
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 104 号: 4 ページ: 044047-044047

    • DOI

      10.1103/physrevd.104.044047

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Fundamental Tone and Overtones of Quasinormal Modes in Ringdown Gravitational Waves: A Detailed Study in Black Hole Perturbation2021

    • 著者名/発表者名
      Sago Norichika、Isoyama Soichiro、Nakano Hiroyuki
    • 雑誌名

      Universe

      巻: 7 号: 10 ページ: 357-357

    • DOI

      10.3390/universe7100357

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Mass-ratio and Magnetic Flux Dependence of Modulated Accretion from Circumbinary Disks2021

    • 著者名/発表者名
      Noble Scott C.、Krolik Julian H.、Campanelli Manuela、Zlochower Yosef、Mundim Bruno C.、Nakano Hiroyuki、Zilh?o Miguel
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 922 号: 2 ページ: 175-175

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac2229

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] 連星ブラックホール重力波研究の最前線2023

    • 著者名/発表者名
      中野寛之
    • 学会等名
      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
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      中野寛之
    • 学会等名
      ブラックホール準固有振動研究会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 連星ブラックホールと離心率2022

    • 著者名/発表者名
      中野寛之
    • 学会等名
      第22回DECIGOワークショップ
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] リングダウン重力波2021

    • 著者名/発表者名
      中野 寛之
    • 学会等名
      新学術「重力波物理学・天文学:創世記」A01戦略会議
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [図書] 重力波・摂動論2022

    • 著者名/発表者名
      中野 寛之、佐合 紀親
    • 総ページ数
      272
    • 出版者
      朝倉書店
    • ISBN
      9784254135312
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] 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

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [備考] BHPC: Black Hole Perturbation Club

    • URL

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

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書 2022 実施状況報告書
  • [備考] 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

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] Black Hole Perturbation Club

    • URL

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

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [備考] 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

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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