[論文レビュー] Characterizing Gravitational Wave Detector Networks: From A$^\sharp$ to Cosmic Explorer

Ish Gupta, Chaitanya Afle+45 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2023

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、将来の重力波検出器ネットワークの科学的潜在能力を評価し、A♯感度のLIGO/Virgoのアップグレードと次世代の観測所（例：Cosmic Explorer や Einstein Telescope）を比較する。2台のCosmic Explorer検出器（40 kmおよび20 kmの腕）により、二重中性子星イベントの高精度な局在化が可能となり、マルチメッセンジャーアストロノミーと一般相対性理論の検証、および未知の精度で宇宙論的パラメータの推定が実現可能であることを示している。

ABSTRACT

Gravitational-wave observations by the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) and Virgo have provided us a new tool to explore the Universe on all scales from nuclear physics to the cosmos and have the massive potential to further impact fundamental physics, astrophysics, and cosmology for decades to come. In this paper we have studied the science capabilities of a network of LIGO detectors when they reach their best possible sensitivity, called A#, given the infrastructure in which they exist and a new generation of observatories that are factor of 10 to 100 times more sensitive (depending on the frequency), in particular a pair of L-shaped Cosmic Explorer observatories (one 40 km and one 20 km arm length) in the US and the triangular Einstein Telescope with 10 km arms in Europe. The presence of one or two A# observatories in a network containing two or one next generation observatories, respectively, will provide good localization capabilities for facilitating multimessenger astronomy and precision measurement of the Hubble parameter. Two Cosmic Explorer observatories are indispensable for achieving precise localization of binary neutron star events, facilitating detection of electromagnetic counterparts and transforming multimessenger astronomy. Their combined operation is even more important in the detection and localization of high-redshift sources, such as binary neutron stars, beyond the star-formation peak, and primordial black hole mergers, which may occur roughly 100 million years after the Big Bang. The addition of the Einstein Telescope to a network of two Cosmic Explorer observatories is critical for accomplishing all the identified science metrics. For most metrics the triple network of next generation terrestrial observatories are a factor 100 better than what can be accomplished by a network of three A# observatories.

研究の動機と目的

• 現在のA♯感度から次世代の観測所に至る重力波検出器ネットワークの科学的能力を評価する。
• 二重中性子星、ブラックホール、および特異な源の源の局在精度、パラメータ推定精度、検出率の向上を定量的に評価する。
• ネットワーク構成がマルチメッセンジャーアストロノミー、ハッブル定数の測定、一般相対性理論の検証に与える影響を評価する。
• 宇宙論や基礎物理学を含む複数の分野における科学的成果を最大化する最適な検出器ネットワークの配置を特定する。
• 資金提供機関の優先順位に整合した科学的指標を用いた標準化されたフレームワークを提供し、ネットワーク性能を比較する。

提案手法

• 1年間の二重ブラックホール（BBH）、二重中性子星（BNS）、中性子星-ブラックホール（NSBH）、中間質量ブラックホール連星（IMBBH）、原始ブラックホール、およびPop IIIブラックホール合体のシミュレート集団を生成する。
• 実際の源分布と天球位置推定モデルを用い、各ネットワーク構成における信号対雑音比（SNR）とパラメータ推定誤差を計算する。
• 資金提供機関の優先順位に基づいて導出された科学的指標を用い、宇宙論、高密度物質物理学、基礎物理学といった主要な科学的目標におけるネットワーク性能を評価する。
• A+感度のLIGO/Virgoと次世代検出器（Cosmic ExplorerとEinstein Telescope）を含む14のネットワーク構成を、検出器数や配置の違いを考慮して比較する。
• 各指標について、検出率、局在精度（ΔΩ）、赤方偏移不確かさ（δz/z）、パラメータ測定精度（δm₁/m₁）を計算する。
• シミュレート集団と分析ツール（iPythonノートブック）をZenodoに公開し、再現可能性とコミュニティ利用を促進する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cosmic Explorer検出器の追加により、A♯感度ネットワークと比較して二重中性子星イベントの局在精度がどの程度向上するか？
• RQ2 異なるネットワーク構成において、高赤方偏移の二重ブラックホールおよび中性子星系の検出率はどの程度か？
• RQ3 次世代ネットワークは、高SNR観測を用いて中性子星の状態方程式をどの程度正確に制約できるか？
• RQ4 標準サイレンを用いてハッブル定数の不確かさを10％未満に抑えるには、1年間に何件の重力波イベントが必要か？
• RQ5 将来のネットワークは、原始ブラックホール合体やブラックホール周囲のアクシオン雲の兆候といった希少イベントを検出できる可能性をどの程度持つか？

主な発見

• 2台のCosmic Explorer検出器（40 kmおよび20 kmの腕）により、信号対雑音比が100以上の二重中性子星イベントが年間640件検出可能であり、これは中性子星の状態方程式を制約する上で極めて重要である。
• 4040Lネットワーク（2台の40 kmのCosmic ExplorerとLIGO）では、インスピレーション後期のSNRが100以上の二重ブラックホールイベントが年間2,663件検出可能であり、一般相対性理論の高精度な検証が可能となる。
• 4040Lネットワークでは、年間2,900件のレンズ効果を受けるBNSイベントが検出可能であり、これは標準サイレンを用いた宇宙論的測定およびハッブル定数の測定を顕著に向上させる。
• 2台のCosmic Explorerを備えたネットワークでは、z ≤ 0.1でΔΩ ≤ 1 deg²の二重中性子星イベントが年間180件検出可能であり、キリノーバやジェット後の光の研究に向けた効率的な電磁気的フォローアップが可能となる。
• 4040Lネットワークでは、z > 10でΔz/z < 0.1の状態で年間98件のPop IIIブラックホール合体が検出可能であり、初期宇宙におけるブラックホール形成を独自に探査できる。
• ネットワークは、ブラックホール周囲のアクシオン雲信号の最大検出距離を180万光年（1.8 Mpc）まで拡大し、標準模型を超える物理学の新たな探査手段を提供する。