パルサータイミングアレイ

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 パルサーのセットです。そのため、これらは銀河サイズの検出器です。パルサータイミングアレイの用途は多数ありますが、最もよく知られているのは、長波長（つまり低周波）の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す。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になります。この相関は、天空でのペアの角度分離のみに依存します。より大きなアレイの方が、GWによって引き起こ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、重力検出には適している可能性があります。このような重力波検出により、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くことができるようになるだろう。^{[2] [3]}

パルサーを重力波検出器として利用するという提案は、もともとミハイル・サジン^[4]とスティーブン・デトワイラー^[5]によって1970 年代後半になされた。そのアイデアは、太陽系の重心と銀河パルサーを、宇宙空間にある仮想の腕の両端として扱うというものである。パルサーは腕の一方の端で基準時計として機能し、地球上の観測者が監視する定期的な信号を送信する。通過する長波長の重力波の影響は、銀河の時空を乱し、観測されるパルスの到着時間に小さな変化を引き起こす。^{[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の配列に拡張し、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。これは、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間間の四極以上の多極空間相関であり、地球から見たときのペアの空での角度分離（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-ダウンズ分析を非常に安定したミリ秒パルサーのアレイに適用して重力波に対する感度を改善し、国立電波天文台の43メートル望遠鏡を使用して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、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]、降着イベント、また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持っています。^[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、合体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、太陽の数千万倍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、パルスの到着時間をその波長にわたって数十ナノ秒変化させる（したがって、1年に1サイクルの周波数3 x 10 ⁻⁸ Hzの場合、パルスは7月上旬に20ナノ秒、1月下旬に20ナノ秒で到着することがわかる）。これは繊細な実験であるが、ミリ秒パルサーはパルスの到着時間を必要な精度で予測できるほど十分に安定した時計である。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、20〜50個のパルサーの集合を使用する。各パルサーをおよそ週に1回監視する必要がある。観測の頻度を増やすと、より高周波の重力波を検出できるが、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ある。

この方法では、20 個のパルサーのタイミングを分析すると 100 平方度の不確実領域 (少なくとも数千個の合体銀河を含む 盾座ほどの大きさの空の部分) が生成されるため、発生源の正確な天空位置を取得することはできません。

PTA の主な目的は、超大質量ブラックホールの合体の歴史によって生じたと考えられる背景重力波の振幅を測定することです。振幅は、銀河の形成の歴史を説明することができます。背景波の振幅の境界は上限と呼ばれます。重力波背景の振幅は上限よりも小さくなります。

いくつか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、現在の宇宙の年齢の何倍もの歳を経て初めて合体することがあります。これは最終パーセク問題と呼ばれています。この距離で超大質量ブラックホールがどのように接近するかは不明です。

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、他の発生源もこの波動を発生させる可能性がある。宇宙ひもが相互作用すると、重力波を放射して減衰するループを形成する可能性がある。^{[15] [16]}

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行われています。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というタイトルで協力を開始しており、InPTA は 2021 年にメンバーになりました。最近、中国も IPTA の正式メンバーではありませんが、活発に活動しています。

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。
   • ラヴェル望遠鏡
   • ヴェステルボルク合成電波望遠鏡
   • エッフェルスベルク望遠鏡
   • ナンカイ電波望遠鏡
   • サルデーニャ島電波望遠鏡。
3. 北米ナノヘルツ重力波観測所（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大規模調査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 個のパルサーの集合からのパルスの到着時間を正確に測定し、国際パルサー タイミング アレイの一部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。

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関する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、および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、特徴的なヘリングス・ダウンズ曲線、つまり重力波の決定的な四極子特性が初めて測定された。^[24] 同様の結果がEuropean Pulsar Timing Array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、検出の基準となる-有意性が2025年頃に達成されると予想している。^{[25] [26]} また、2023年6月には、Chinese Pulsar Timing Array（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、重力波背景放射の発生源は、さらなる観測と分析なしでは特定できません。 ^[3]${\displaystyle 3\sigma }$${\displaystyle 5\sigma }$${\displaystyle 4.6\sigma }$

• 重力波観測所

• G. Hobbs; et al. (2010). 「国際パルサータイミングアレイプロジェクト：パルサーを重力波検出器として使用する」.古典重力と量子重力. 27 (8): 8. arXiv : 0911.5206 . Bibcode :2010CQGra..27h4013H. doi :10.1088/0264-9381/27/8/084013. S2CID  56073764.
• G. Hobbs (2011)。「重力波検出器としてのパルサー」。パルサーとそのシステムからの高エネルギー放射。天体物理学と宇宙科学の議事録。第 21 巻。pp. 229–245。arXiv : 1006.3969。Bibcode : 2011ASSP ... 21..229H。doi :10.1007/ 978-3-642-17251-9_20。ISBN 978-3-642-17250-2. S2CID  119277779。

• 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)