[論文レビュー] Coherent WaveBurst, a pipeline for unmodeled gravitational-wave data analysis

M. Drago, V. Gayathri+13 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 36被引用数 10

ひとこと要約

coherent WaveBurst (cWB) は、ウィルソン＝ドーブェシュ＝マイヤー(Wavelets)を用いた時間周波数解析に基づく、高configurableでオープンソースのパイプラインであり、モデル化されていない重力波トランジェントを検出することを目的としている。このパイプラインは、GW150914（二重ブラックホール合体）の低遅延検出を実現し、以降、GW190814 や GW190521 といった主要な出来事の検出において中心的な役割を果たした。特に、中質量ブラックホール二重星系の直接的証明を初めて得た。

ABSTRACT

coherent WaveBurst (cWB) is a highly configurable pipeline designed to detect a broad range of gravitational-wave (GW) transients in the data of the worldwide network of GW detectors. The algorithmic core of cWB is a time-frequency analysis with the Wilson-Daubechies-Meyer wavelets aimed at the identification of GW events without prior knowledge of the signal waveform. cWB has been in active development since 2003 and it has been used to analyze all scientific data collected by the LIGO-Virgo detectors ever since. On September 14, 2015, the cWB low-latency search detected the first gravitational-wave event, GW150914, a merger of two black holes. In 2019, a public open-source version of cWB has been released with GPLv3 license.

研究の動機と目的

• 信号の波形形態について事前の仮定を置かない、堅牢で低遅延の重力波トランジェント検出パイプラインの開発。
• 電磁気的フォローアップを促進するため、重力波候補の即時の局所化とアラート送信を可能にする。
• マルチデバイスネットワークにおける重力波データのリアルタイム（低遅延）およびオフライン解析を両方サポートする。
• 二重星合体、コアコリプス超新星、波形が未知の未知の源を含む、広範なトランジェント信号を検出する。
• 将来の検出器ネットワークおよび高度な信号処理技術と互換性を持つ、柔軟で拡張可能なフレームワークを提供する。

提案手法

• パイプラインは、解析の前段階で、恒久的なラインやノイズアーティファクトを除去するために回帰アルゴリズムを検出器データに適用する。
• 時間周波数ドメインへの変換には、ウィルソン＝ドーブェシュ＝マイヤー（WDM）ウェーブレット変換が用いられ、時間的および周波数的局在化に優れる。
• しきい値を超えるエネルギーを持つ選択された時間周波数ピクセルが保持され、制約付き尤度関数を用いて複数の検出器に跨って統合される。
• 尤度関数には、検出器のアンテナパターン、干渉計間の時間遅延、および天球位置が組み込まれ、信号の整合性を評価する。
• 選択されたピクセルの整合性測度が事前に定義されたしきい値を超えると、ネットワーク全体で整合性のある信号として候補イベントと特定される。
• パイプラインは C++ で実装されており、WAT ライブラリと ROOT フレームワークが使用され、Python スクリプトが GraceDB への低遅延トリガーのアップロードを担当している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 波形形態についての仮定を最小限に抑えて、リアルタイムで重力波トランジェントを検出する方法は何か？
• RQ2 時間周波数表現を用いて、複数の検出器間で整合性のある信号を特定する最適な手法は何か？
• RQ3 ウェーブレットベースのアプローチは、波形が未知または複雑な形態を取る多様なトランジェント信号を、高い感度と低遅延で検出できるか？
• RQ4 標準的なテンプレートモデルから逸脱する可能性のある高質量比および高スピンの二重ブラックホール合体を検出する際、パイプラインの性能はいかがなものか？
• RQ5 最大8台の検出器を含む将来の重力波ネットワークを、どの程度までサポートできるか？

主な発見

• cWB は、GW150914（二重ブラックホール合体）を、データ取得後3分以内に低遅延で検出した。これは重力波天文学における画期的な出来事であった。
• パイプラインは、これまでに観測された中で最も不均衡な質量比を示した二重星系の高次モーメント成分を特定し、GW190814 を正常に検出した。
• cWB は、観測史上で最も質量が大きく、距離も遠いブラックホール合体である GW190521 の検出において中心的な役割を果たし、中質量ブラックホール二重星系の直接的証明を初めて得た。
• 2019年に GPLv3 ライセンスで cWB がオープンソースとしてリリースされ、コミュニティの広範なアクセスと将来のデータ分析ワークフローへの統合を可能にした。
• cWB は 2015 年以降、LIGO-Virgo のすべての科学的データ解析で使用されており、全天空バースト探索やコアコリプス超新星のターゲティング探索にも用いられている。
• ウェーブレットベースのアプローチは、2017 年アーベル賞受賞者であるイヴ・マイヤー氏によっても認識され、受賞講演で重力波検出におけるその役割が強調された。