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2022 年度 実績報告書

コンパクト連星合体からの重力波偏極モード探査による強重力場での重力理論検証

研究課題

研究課題/領域番号 21J01383
配分区分補助金
研究機関京都大学

研究代表者

武田 紘樹  京都大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)

研究期間 (年度) 2021-04-28 – 2024-03-31
キーワード重力波 / 重力 / 一般相対性理論 / 修正重力理論 / 拡張重力理論 / 重力理論検証 / 偏極モード / コンパクト連星合体
研究実績の概要

本研究は重力波の偏極モード探査によって、重力理論を検証することを目的としている。これまでのコンパクト連星合体からの重力波を用いた検証では、それぞれの偏極モードが波形補正なしで個別に探査されてきた。しかし、実際の拡張重力理論では、重力波は偏極モードの混合になっているため、このような探査では現実の拡張重力理論を検証することができない。そこで、双極子放射スカラーモード、四重極放射スカラーモード、テンソルモードからなる波形モデルを構築した。この際、余分なエネルギー損失による連星軌道運動の補正を考慮した。この波形モデルを用いて観測データを解析することで、GW170814とGW170817に対して強重力場域において初めて一般相対性理論と矛盾しない制限を付加的な偏極モードに与えた。さらに、ストレス・エネルギーテンソルの修正を考慮することで、より一般的な生成過程におけるスカラーテンソル偏極波形モデルを構築した。現在は、この波形モデルを用いて、中性子星・ブラックホール合体の重力波信号をHorndeski理論の枠組みで解析している。また、第五の力の実験など太陽系実験による制限をもとに、スカラーモードを地上の重力波望遠鏡ネットワークで検出する可能性について検討した。重力波の位相進化に対する制限は余分なエネルギー損失がテンソルモードと同程度以下であることを示している。この観測事実と太陽系実験による重力ポテンシャルに対する制限を組み合わせることで、許されるスカラーモードの振幅は地上重力波望遠鏡の検出限界と同程度であることを示した。スカラーモードの検出には、偏極モード探査の重ね合わせ手法の開発が必要となる。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

当初の本研究課題の計画通りに、混合偏極モード探査を実現し一般相対性理論を超える偏極モードに対して初めて強重力場での制限を得ることができた。さらに、偏極モードの波形モデルをストレス・エネルギーテンソルの補正を考慮して一般化した。また、第五の力の実験などの太陽系実験の結果をもとに、地上の重力波望遠鏡でスカラーモードを検出できる可能性について理論的な検討を行った。以上のような実績を踏まえ、当初の計画以上に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

2022年度は、スカラーテンソル偏極波形モデルを用いた観測データの解析によって、初めて強重力場で一般相対性理論と矛盾しない観測的制限を得ることができた。2023年度は、構築したより一般的な波形モデルを用いて、Horndeski理論の枠組みで実データを解析し、より多くの理論に対して重力波の自由度に観測的制限を与える。その観測結果の解釈のために、付加的な偏極モードの存在が一般相対性理論による解析に与える影響について調べる。これは、偏極モード検証における重ね合わせ手法の確立にも必要な要素となっている。

  • 研究成果

    (26件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (19件) (うち国際共著 17件、 査読あり 19件、 オープンアクセス 7件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 2件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Population of Merging Compact Binaries Inferred Using Gravitational Waves through GWTC-32023

    • 著者名/発表者名
      LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, and KAGRA Collaboration
    • 雑誌名

      Physical Review X

      巻: 13 ページ: 011048

    • DOI

      10.1103/PhysRevX.13.011048

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Search for scalar-tensor mixed polarization modes of gravitational waves2022

    • 著者名/発表者名
      Takeda Hiroki、Morisaki Soichiro、Nishizawa Atsushi
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 105 ページ: 084019

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.105.084019

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Probe for Type Ia Supernova Progenitor in Decihertz Gravitational Wave Astronomy2022

    • 著者名/発表者名
      Kinugawa Tomoya、Takeda Hiroki、Tanikawa Ataru、Yamaguchi Hiroya
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 938 ページ: 52~52

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac9135

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Model-based Cross-correlation Search for Gravitational Waves from the Low-mass X-Ray Binary Scorpius X-1 in LIGO O3 Data2022

    • 著者名/発表者名
      LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, and KAGRA Collaboration
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal Letters

      巻: 941 ページ: L30~L30

    • DOI

      10.3847/2041-8213/aca1b0

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] The Current Status and Future Prospects of KAGRA, the Large-Scale Cryogenic Gravitational Wave Telescope Built in the Kamioka Underground2022

    • 著者名/発表者名
      KAGRA Collaboration
    • 雑誌名

      Galaxies

      巻: 10 ページ: 63~63

    • DOI

      10.3390/galaxies10030063

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Search for continuous gravitational wave emission from the Milky?Way center in O3 LIGO-Virgo data2022

    • 著者名/発表者名
      LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, and KAGRA Collaboration
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 106 ページ: 042003

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.106.042003

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] First joint observation by the underground gravitational-wave detector KAGRA with GEO 6002022

    • 著者名/発表者名
      LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, and KAGRA Collaboration
    • 雑誌名

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      巻: 2022 ページ: 063F01

    • DOI

      10.1093/ptep/ptac073

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Search for gravitational waves from Scorpius X-1 with a hidden Markov model in O3 LIGO data2022

    • 著者名/発表者名
      LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, and KAGRA Collaboration
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 106 ページ: 062002

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.106.062002

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] All-sky search for continuous gravitational waves from isolated neutron stars using Advanced LIGO and Advanced Virgo O3 data2022

    • 著者名/発表者名
      LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, and KAGRA Collaboration
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 106 ページ: 102008

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.106.102008

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Narrowband Searches for Continuous and Long-duration Transient Gravitational Waves from Known Pulsars in the LIGO-Virgo Third Observing Run2022

    • 著者名/発表者名
      LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, and KAGRA Collaboration plus 28 radio astronomers and NICER science team members
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 932 ページ: 133~133

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac6ad0

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Search of the early O3 LIGO data for continuous gravitational waves from the Cassiopeia A and Vela Jr. supernova remnants2022

    • 著者名/発表者名
      LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, and KAGRA Collaboration
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 105 ページ: 082005

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.105.082005

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] All-sky search for gravitational wave emission from scalar boson clouds around spinning black holes in LIGO O3 data2022

    • 著者名/発表者名
      LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, and KAGRA Collaboration
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 105 ページ: 102001

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.105.102001

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Searches for Gravitational Waves from Known Pulsars at Two Harmonics in the Second and Third LIGO-Virgo Observing Runs2022

    • 著者名/発表者名
      LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, and KAGRA Collaboration
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 935 ページ: 1~1

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac6acf

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Search for Gravitational Waves Associated with Gamma-Ray Bursts Detected by Fermi and Swift during the LIGO?Virgo Run O3b2022

    • 著者名/発表者名
      LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, and KAGRA Collaboration
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 928 ページ: 186~186

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac532b

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] All-sky, all-frequency directional search for persistent gravitational waves from Advanced LIGO’s and Advanced Virgo’s first three observing runs2022

    • 著者名/発表者名
      LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, and KAGRA Collaboration
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 105 ページ: 122001

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.105.122001

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Search for Subsolar-Mass Binaries in the First Half of Advanced LIGO’s and Advanced Virgo’s Third Observing Run2022

    • 著者名/発表者名
      LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, and KAGRA Collaboration, D. Jeong and S. Shandera
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 129 ページ: 061104

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.129.061104

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Search for continuous gravitational waves from 20 accreting millisecond x-ray pulsars in O3 LIGO data2022

    • 著者名/発表者名
      LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, and KAGRA Collaboration plus A. C. Albayati, D. Altamirano, P. Bult, D. Chakrabarty, M. Ng, P. S. Ray, A. Sanna, and T. E. Strohmayer
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 105 ページ: 022002

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.105.022002

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Search for intermediate-mass black hole binaries in the third observing run of Advanced LIGO and Advanced Virgo2022

    • 著者名/発表者名
      LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, and KAGRA Collaboration
    • 雑誌名

      Astronomy & Astrophysics

      巻: 659 ページ: A84~A84

    • DOI

      10.1051/0004-6361/202141452

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Constraints on dark photon dark matter using data from LIGO’s and Virgo’s third observing run2022

    • 著者名/発表者名
      LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, and KAGRA Collaboration
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 105 ページ: 063030

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.105.063030

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] スカラー重力波と第五の力2023

    • 著者名/発表者名
      武田 紘樹, 間仁田 侑典, 大宮 英俊, 田中 貴浩
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
  • [学会発表] Scalar degrees of freedom and fifth force experiments2022

    • 著者名/発表者名
      武田 紘樹, 間仁田 侑典, 大宮 英俊, 田中 貴浩
    • 学会等名
      第35回 理論懇シンポジウム
  • [学会発表] 非一様背景場における重力波の伝播過程検証2022

    • 著者名/発表者名
      武田紘樹, 西澤篤志, 田中貴浩
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会
  • [学会発表] Scalar gravitational wave and fifth force2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Takeda, Yusuke Manita, Hidetoshi Omiya, Takahiro Tanaka
    • 学会等名
      KAGRA f2f meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] Search for mixture of scalar-tesor polarizations of gravitational waves2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Takeda, Soichiro Morisaki, Atsushi Nishizawa
    • 学会等名
      GR23
    • 国際学会
  • [図書] 広大すぎる宇宙の謎を解き明かす 14歳からの宇宙物理学2023

    • 著者名/発表者名
      武田 紘樹
    • 総ページ数
      192
    • 出版者
      KADOKAWA
    • ISBN
      4046061758
  • [備考] Hiroki Takeda (home page)

    • URL

      https://hiroki-takeda.github.io/index.html

URL: 

公開日: 2023-12-25  

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