Gravitational wave as a probe of dark matter physics

Abstract

In this dissertation, we present novel ways of probing dark matter(DM) physics through gravitational waves(GWs). We find that if a light scalar dark matter interacts with neutron and induces time-oscillating mass shift of it, GW chirps radiated by neutron star binary inspiral can be sensitive probe to such effects. The sensitivity comes from a large number of GW cycles during year-long measurements in broadband (0.01 Hz – 1000 Hz). Such broadband measurements that can be realized by a future detector network including LIGO and mid-band detectors will probe unconstrained parameter space of the light scalar DM. We also show that gravitational lensing(GL) of GW can be a probe of dark matter subhalos at subgalactic scales(M < 10^7 solar mass). It has been very challenging for GL of light to probe the scale. What special to GW is its parsec scale Fresnel Length which comes from its long wavelength and cosmological distance to the GW source. It makes possible GW chirps to be diffracted by the parsec-scale subhalos. We show that the diffractive lensing signal is equivalent to a shear distribution of a lens object, and therefore, it can be used for reconstruction of the lens profile. The event rate of such GW lensing is estimated to O(10) per year at BBO.

이 논문에서 우리는 중력파를 이용해 암흑물질 물리학을 탐사하는 새로운 방법을 보여준다. 우리는 가벼운 스칼라 암흑물질이 중성자와 상호작용해서 그것에 시간-진동성 질량 변화를 일으킨다면, 중성자별 쌍성의 나선운동에서 나온 중력파 처프 신호가 그 효과에 민감할 것임을 알아냈다. 그 민감함은 광대역(0.01 Hz – 1000 Hz)에서 1년 이상의 중력파 측정으로 얻은 매우 큰 수치의 중력파 진동횟수 덕분이다. 그러한 광대역 측정은 미래에 LIGO와 중간-주파수 중력파 관측기를 포함하는 관측소 네트워크에 의 해 실현될 수 있으며, 가벼운 스칼라 암흑물질의 아직 탐사되지 못한 파라메터 영역을 탐사할 것이다. 우리는 또한 중력파의 중력렌즈현상이 은하규모 미만(M < 10^7 태양질량)의 암흑물질 서브-헤일로 탐사할수 있는 수단임을 보였다. 빛의 중력렌즈현상으로는 그러한 규모를 탐사하기가 쉽지 않았다. 중력파의 특별한 점은 그것의 프레넬 길이가 파섹 규모라는 것인데, 이는 그것의 긴 파장과 파원까지의 우주론적 거리 덕분이다. 이는 중력파 처프 신호가 파섹 규모의 서브-헤일로에 의해 회절될 수 있게 했다. 우리는 그 회절성 렌즈 신호가 렌즈물체의 shear 분포와 동일함을 보였고, 따라서 그것이 렌즈의 물질분포를 재구성하는데 이용될 수 있음을 보였다. 그러한 중력파의 중력렌즈현상은 BBO 디텍터 에서 1년에 수십번 정도 관측할것으로 예측된다.