パルサータイミングアレイ（PTA ）は、地球へのパルス到着時刻の相関シグネチャを探すために監視および分析される銀河 パルサーの集合である。そのため、それらは銀河サイズの検出器である。パルサータイミングアレイの用途は多数あるが、最もよく知られているのは、長波長（すなわち低周波）重力波背景を検出および分析するためにミリ秒パルサーのアレイを使用することである。このような検出には、異なるミリ秒パルサーペアによって放出されたパルスの到着時刻間の重力波誘起四重極相関[1]など、重力波（GW）シグネチャの詳細な測定が必要となる。この相関は、天空におけるペアの角度分離のみに依存する。より大きなアレイの方が、GWによって誘起される四重極空間相関をより多くのパルサーペアでより適切にサンプリングできるため、重力検出にはより適している可能性がある。このような重力波の検出により、ミリ秒パルサータイミングアレイは重力波天文学における新たな低周波の窓を開き、他の手段ではアクセスできない潜在的な古代の天体物理学的源や初期宇宙のプロセスを覗き見ることができるようになるだろう。[2] [3]

概要

パルサーP1…Pnは周期的に信号を発しており、地球で受信されます。重力波（GW）はパルサーと地球（E）の間の時空を揺らし、パルスの到達時刻を変化させます。様々なパルサーペアにおけるパルスパラメータの変化の空間相関を測定することで、重力波を検出することができます。

パルサーを重力波検出器として利用するという提案は、1970年代後半にミハイル・サジン[4]とスティーブン・デトワイラー[5]によって初めてなされました。このアイデアは、太陽系の 重心と銀河パルサーを、仮想的な空間の腕の両端として扱うというものです。パルサーは腕の一方の端で基準時計として機能し、規則的な信号を発信します。この信号は地球上の観測者によって監視されます。長波長の重力波が通過すると、銀河の時空が乱され、観測されるパルスの到達時間にわずかな変化が生じると考えられます。[6] : 207–209 

1983年、ヘリングスとダウンズ[7]はこの考えをパルサーアレイに拡張し、重力波の確率的背景が特徴的な重力波シグネチャを生み出すことを発見した。それは、異なるミリ秒パルサーペアから放射されたパルスの到着時間間の四極およびそれ以上の多極の空間相関であり、地球から見たペアの空における角度分離（より正確には太陽系の重心）のみに依存する。[8] パルサータイミングアレイの重要な特性は、確率的重力波背景からの信号はパルサーペアの視線全体で相関するが、他のノイズプロセスからの信号は相関しないという点である。[9]文献では、この空間相関曲線はヘリングス・ダウンズ曲線または重複削減関数と呼ばれている。[10]

ヘリングスとダウンズの研究は、アレイ内のパルサークロックの精度と安定性によって感度が制限されていました。1982年にさらに安定したミリ秒パルサーが発見された後、フォスターとバッカー[11]は1990年にヘリングス・ダウンズ解析を非常に安定したミリ秒パルサーのアレイに適用することで重力波に対する感度を向上させ、国立電波天文台（NRAO ）の43メートル望遠鏡を用いて3つのパルサーを観測する「パルサータイミングアレイプログラム」を開始しました。

ミリ秒パルサーが使用されるのは、より遅い古典パルサーの周期に影響を与える可能性のある星震やグリッチ[12]、降着現象、あるいは確率的タイミングノイズ[13]の影響を受けにくいためです。ミリ秒パルサーは、数十年にわたって平均すると、原子時計に基づく時間基準に匹敵する安定性を有します。[14]

これらの伝播特性に影響を与えるものの 1 つは、周波数が 10 −9～ 10 −6 ヘルツの低周波重力波です。このような重力波の天体物理学的発生源として最も可能性が高いのは、衝突銀河の中心にある超大質量ブラックホール連星です。この連星では、太陽の質量の数千万倍もの質量が数か月から数年の周期で周回しています。

重力波は、パルスの到着時刻をその波長にわたって数十ナノ秒変化させます（そのため、周波数が 3 x 10 −8 Hz、1 年に 1 サイクルの場合、パルスは 7 月初めに 20 ナノ秒、1 月下旬に 20 ナノ秒到着することがわかります）。これは繊細な実験ですが、ミリ秒パルサーはパルスの到着時刻を必要な精度で予測できるほど安定した時計です。実験では、大気中および観測者とパルサー間の空間での分散効果を考慮するために、20 から 50 個のパルサーの集合を使用しています。各パルサーをおよそ週に 1 回監視する必要があります。観測頻度を高くすれば、より高周波の重力波を検出できますが、そのような周波数で十分に大きな天体物理学的発生源があるかどうかは不明です。

この方法では、発生源の正確な天空位置を得ることはできません。20 個のパルサーのタイミングを分析すると、100 平方度の不確実性領域 (盾座ほどの大きさの天空領域) が生成され、そこには少なくとも数千個の合体銀河が含まれることになります。

PTAの主な目的は、超大質量ブラックホールの合体によって生じた可能性のある背景重力波の振幅を測定することです。この振幅は、銀河の形成史を記述することができます。背景波の振幅の上限は上限と呼ばれます。重力波背景の振幅は、この上限よりも小さくなります。

一部の超大質量ブラックホール連星は安定した連星を形成し、現在の宇宙年齢の何倍もの歳を経て初めて合体する可能性があります。これは最終パーセク問題と呼ばれています。超大質量ブラックホールがこの距離でどのように接近するのかは不明です。

超大質量ブラックホール連星は、非常に低周波の重力波の発生源として最も可能性が高いが、宇宙の歴史の初期に形成された可能性のある宇宙ひもなど、他の発生源も重力波を発生させる可能性がある。宇宙ひもが相互作用すると、重力波を放射することで減衰するループを形成することがある。[15] [16]

活動中のPTAと提案中のPTA

世界では5つのパルサータイミングアレイプロジェクトが活発に活動しています。最初の3つのプロジェクト（PPTA、EPTA、NANOGrav）は、国際パルサータイミングアレイプロジェクト（IPTA）という名称で協力を開始しており、InPTAは2021年にメンバーとなりました。最近、中国もIPTAの正式メンバーではないものの、積極的に活動しています。

  1. パークス電波望遠鏡のパークスパルサータイミングアレイ（PPTA）は、2005年からデータを収集しています。
  2. 欧州パルサータイミングアレイ（EPTA）は2009年からデータを収集しており、ヨーロッパ最大の5つの電波望遠鏡を使用しています。
  3. 北米重力波ナノヘルツ観測所(NANOGrav) は、2005 年以来アレシボとグリーンバンクの電波望遠鏡から収集されたデータを使用しています。
  4. インドパルサータイミングアレイ（InPTA）は、アップグレードされた巨大メートル波電波望遠鏡を使用しています。[17] [18]
  5. 中国パルサータイミングアレイ（CPTA）は、500メートル口径球面電波望遠鏡（FAST）を使用しています。[19]
  6. MeerKATパルサータイミングアレイ（MPTA）は、MeerKAT大規模サーベイプロジェクトであるMeerTimeの一部です。MPTAは、南半球から見える88個のパルサーからのパルス到達時刻を正確に測定することを目指しており、国際パルサータイミングアレイ（IPA）の一環として、ナノヘルツ周波数の重力波の探索、検出、研究に貢献することを目指しています。

観察

NANOGrav (2023)によって観測されたパルサー間の相関とパルサー間の角度間隔のプロット。理論モデル（紫色の破線、またはヘリングス・ダウンズ曲線）と重力波背景がない場合（緑色の実線）との比較。 [20] [21]

2020年にNANOGrav共同研究チームは12.5年間のデータを発表したが、これにはすべてのパルサーに共通する歪み振幅とスペクトル指数を持つべき乗法則の確率過程の強力な証拠が含まれていたが、重要なヘリングス・ダウンズ四重極空間相関については統計的に決定的なデータは含まれていなかった。[22] [23]

2023年6月、NANOGrav、EPTA、PPTA、InPTAは、重力波背景の証拠を発見したと発表した。NANOGravの68個のパルサーに関する15年間のデータにより、重力波の決定的な四重極特性である特徴的なヘリングス・ダウンズ曲線が初めて測定された。[24] 同様の結果が欧州パルサータイミングアレイによって発表され、同チームは証拠の基準となる-有意性を主張した。彼らは、複数の共同研究による測定値を組み合わせることで、検出の基準である-有意性が2025年頃に達成されると期待している。[25] [26] また2023年6月、中国パルサータイミングアレイ（CPTA）が-有意性で同様の発見を報告した。彼らは、世界最大の電波望遠鏡であるFASTの高感度を利用して、わずか41か月間で57個のミリ秒パルサーを監視しました。 [27] [28]同様の結果を報告した4つの独立した共同研究は、異なる望遠鏡、異なるパルサーアレイ、異なる分析方法を使用して、重力波背景放射の証拠の相互検証を提供しました。[29]超大質量ブラックホールの連星が有力な候補ですが、重力波背景放射の源はさらなる観測と分析なしでは特定できません。[3]

参照

参考文献

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  • パルサータイミングアレイシミュレータ SimPTA
  • 欧州パルサータイミングアレイ
  • 北米ナノヘルツ重力波観測所（NANOGrav）