[論文レビュー] Detectability of microlensed gravitational waves

Simon M. C. Yeung, Mark Ho-Yeuk Cheung+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2021

Adaptive optics and wavefront sensing被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、タイプIIの強くレンズ効果を受けて形成された重力波マクロ像におけるマイクロレンズ効果を調査し、通常は減衰し、タイプIの像よりも波形不一致が大きいことが判明した。波動光学シミュレーションを用いて、星質量のマイクロレンズが増幅を抑制し、不一致が増加するにもかかわらず検出可能性が低下することを示した。今後のレンズ効果探索においてこれらの波形を組み込む必要があることを強調し、パラメータ推定と検出感度の向上に寄与する。

ABSTRACT

Gravitational lensing describes the bending of the trajectories of light and gravitational waves due to the gravitational potential of a massive object. Strong lensing by galaxies can create multiple images with different overall amplifications, arrival times, and image types. If, furthermore, the gravitational wave encounters a star along its trajectory, microlensing will take place. Previously, it has been shown that the effects of microlenses on strongly-lensed type-I images could be negligible in practice, at least in the low magnification regime. In this work, we study the same effect on type-II strongly-lensed images by computing the microlensing amplification factor. As opposed to being magnified, type-II images are typically demagnified. Moreover, microlensing on top of type-II images induces larger mismatches with un-microlensed waveforms than type-I images. These results are broadly consistent with recent literature and serve to confirm the findings. In addition, we investigate the possibility of detecting and analysing microlensed signals through Bayesian parameter estimation with an isolated point mass lens template, which has been adopted in recent parameter estimation literature. In particular, we simulate gravitational waves microlensed by a microlens embedded in a galaxy potential near moderately magnified type-I and II macroimages, with variable lens masses, source parameters and macromagnifcations. Generally, an isolated point mass model could be used as an effective template to detect a type-II microlensed image but not for type-I images, demonstrating the necessity for more realistic microlensing search templates.

研究の動機と目的

• タイプIの像に関する先行研究を拡張して、タイプIIの像に対する強いレンズ効果のマイクロレンズ効果を完全に理解すること。
• LIGO/Virgo観測の文脈において、マイクロレンズ効果を受けていたタイプIIのマクロ像の検出可能性を評価すること。
• 波動光学効果が、マイクロレンズ効果を受けるタイプIIの像における増幅および波形不一致に与える影響を評価すること。
• 特にパラメータ推定と信号一致の観点から、強いレンズ効果に基づく重力波検出に与える影響を検討すること。
• タイプIIの像における不一致の増加が、通常の減衰を補って検出可能性に寄与するかどうかを特定すること。

提案手法

• 星質量のマイクロレンズが存在する状況下で、銀河的マクロレンズによってレンズ効果を受ける重力波の増幅係数を波動光学シミュレーションで計算する。
• 複合レンズモデルを適用し、銀河レンズをマクロモデルとし、個々の星を点質量のマイクロレンズとして扱う。
• マイクロレンズの接近パラメータおよび質量関数の積分を用いて、有効増幅係数を計算する。
• タイプIの像に関する先行研究と比較し、増幅、不一致、検出可能性の差に注目する。
• 実際の観測条件を想定し、信号対雑音比および波形不一致を評価して検出可能性を検証する。
• 強いレンズ効果とマイクロレンズ効果を併用する今後のパラメータ推定パイプラインに与える影響を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロレンズ効果は、タイプIIの強くレンズ効果を受けて形成された重力波マクロ像の増幅および波形にどのように影響するか？
• RQ2 タイプIIの像における波動光学効果の影響は、タイプIの像と比較して相対的にどの程度大きいのか？
• RQ3 タイプIIの像における波形不一致の増加は、通常の減衰を相殺して検出可能性に寄与するのか？
• RQ4 マクロ像の増幅の不確実性が存在する中で、タイプIIの像におけるマイクロレンズの兆候を信頼性高く抽出できるか？
• RQ5 これらの発見は、マイクロレンズ検出を強化するために強いレンズ効果を用いる今後の重力波探索にどのような影響を与えるか？

主な発見

• マイクロレンズ効果を受けるタイプIIのマクロ像は通常、減衰しており、信号対雑音比が低下し、検出がより困難になる。
• マイクロレンズ効果を受けるタイプIIの像における波形不一致は、タイプIの像よりも顕著に大きく、不一致に基づく検出法の可能性を高める。
• 波動光学効果は星質量領域において増幅を強く抑制し、特に低周波数帯でマイクロレンズモードの範囲が制限される。
• 低質量星（m ≲ 10 M☉）では、減衰がマイクロレンズの接近パラメータにほとんど依存しないため、抑制効果が安定していることが示唆される。
• 減衰が見られるにもかかわらず、タイプIIの像における不一致の増加が信号強度の損失を部分的に相殺する可能性があり、高度なパラメータ推定を用いれば検出の対象として有効である。
• 今後の検出作業では、強いレンズ効果系の検出可能性を最大限に活かすために、マイクロレンズ効果を受けるタイプIIの波形をパラメータ推定パイプラインに組み込む必要がある。