2020 Fiscal Year Annual Research Report
Testing gravity theories using gravitational waves
| Project Area | Gravitational wave physics and astronomy: Genesis |
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| Project/Area Number |
17H06358
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
田中 貴浩 京都大学, 理学研究科, 教授 (40281117)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大原 謙一 新潟大学, 自然科学系, 教授 (00183765)
真貝 寿明 大阪工業大学, 情報科学部, 教授 (30267405)
高橋 弘毅 東京都市大学, その他部局等, 教授 (40419693)
瀬戸 直樹 京都大学, 理学研究科, 助教 (80462191)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2022-03-31
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| Keywords | 宇宙物理学 / 重力波 / ブラックホール / データ解析 / 重力理論 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本計画研究は重力波の観測データを用いてこれまでになされていないような一般相対論のテストをおこなうことを大きな目標に掲げている。一般相対論は現代の宇宙モデルの基
礎をなす理論であるが、ブラックホールや中性子星といった強い重力場での検証は重力波の観測によりはじめて可能となった。
重力波観測の実データを用い、パリティー破れや重力波偏極解析などの可能性のある多様な重力理論の検証を、各々のモデルに特化した解析コードを開発し実行した。加えて、潮汐効果の制限によるブラックホール代替天体の可能性の検証についても独自の波形モデルを用いて行った。多数の連星ブラックホール合体重力波を解析した結果、すべての解析において一般相対論と無矛盾であるとともに、上限値を示した。
今後予定される第５次重力波観測（２０２５年予定）を想定し、リングダウン重力波からブラックホールの情報をどの程度の精度で得られるかについて議論した。リングダウン波形はブラックホール準固有振動の重ね合わせでモデル化されることが多いが、その生成過程を考えたとき、このようなモデル化の妥当性が保証されるのは合体後十分に時間が経った後である。そのため、どの程度正確にブラックホール準固有振動を観測的に決定できるかを定量化する議論は注目の話題となっている。実際のデータから準固有振動を様々な手法を抜き出した際に、その結果がどの程度一致するのかという研究も進行している。
一方で、将来の観測を見据えて、LISAとそれ以外の宇宙重力波検出器(Taiji等)を組み合わせることによって実現可能な背景重力波相関解析について検討を行った。系に内在する2つの対称性が多様な偏光モード計測に与える影響を明らかにするとともに、データの組み合わせの有限性に起因して分解できないモードの組み合わせを示すなどの成果を残した。
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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
BH連星からの重力波データから物理情報を最大限引き出すための新しい解析手法の実現、実際の重力波データに適用することが必須課題である。これらを、隔週毎のミーティングを通じて密接な連携を保ち、A02の拡張重力理論等に関する新しい知見も取り入れ、計画研究全体で協調して進めてきた。
短期的な課題として挙げていたもので、ブラックホールエコーやブラックホールの潮汐変形に関する実データの再解析，有質量スカラーテンソル理論、パリティー破れや重力波偏極解析に対する世界初の制限などの論文をまとめるということは実現された。また、修正重力にもとづく重力波テンプレートを、KAGALIを中心にして解析する共通インターフェースのさらなる開発や、LIGO O1、およびO2の公開データから未知の重力波源を探索するソフトウェアの開発も進展している。
同時に、自己回帰モデルやスパースモデリング法、ディープラーニング等を応用した先進的なデータ解析手法の開発と評価も進んでいる。この点については、公募研究とも連携が進んでいる。また、実際の重力波観測データの解析を広い範囲の修正重力理論に対して扱うための解析コードの高速化についても研究が進展している。
しかしながら、コロナ禍により、発表成果を国際会議等で発表することや諸外国の研究機関をめぐりセミナーをおこない議論を深めるなどの活動は制限された点で、当初の目標を達成できなかった点があることは否めない。
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| Strategy for Future Research Activity |
繰越をおこない、本年で完全に領域が終了となるので、「今後の推進方策」としては以前の状況を考えて報告します。
当初の方針からの大きな変更はない。
LIGO/Virgo O3データも既に公開されている。また、KAGRAが共同観測に参加したことで、A01の主要メンバーはいち早くデータにアクセスできるようになっている。その段階で、LIGO/Virgoとの共同研究として日本発の提案もおこなってきているが、その流れを加速する。また、O3GKでのKAGRAのデータ解析にも積極的に取り組む。
これまで通り、重力理論の拡張に対するテストについては何を行うべきか検討が進んでいるので、研究員の用務を実際のコード開発に集中し精力的に開発を進めていく。雇用したポスドク研究員は重力理論のテストを高速で実行できるようなプログラムの開発を進めてくれている。並行して、新たな修正重力理論における波形予測を進め、高速化のメリットを最大限活かせる解析を見出していく。また、LIGOのデータ解析ライブラリとは独立な解析ライブラリを開発し冗長性を持たせることの必要性は現時点でも変わっていない。
コロナの影響が残るが、オンラインでのミーティングを隔週で開き、連携を密に取りながら進めていく。
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