[論文レビュー] Discovering gravitationally lensed gravitational waves: predicted rates, candidate selection, and localization with the Vera Rubin Observatory

G. P. Smith, Andrew Robertson+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、バーナ・ルビン宇宙望遠鏡を用いて重力レンズ効果を受ける中性子星合体を検出する、レンズの質量や構造に依存しない新規手法を提案する。高質量ギャップ確率候補およびキロノーバ対応物を用いた局在化を活用し、2020年代半ばまでに年間1件程度の検出可能なレンズ効果を受けるNS-NS合体が予測される。また、1秒から1年までの到着時間遅れを有し、年間のルビン望遠鏡観測時間のわずか0.25％で、標的追跡観測によってレンズ効果を受けるキロノーバ対応物を検出可能であることを示している。

ABSTRACT

Secure confirmation that a gravitational wave (GW) has been gravitationally lensed would bring together these two pillars of General Relativity for the first time. This breakthrough is challenging for many reasons, including: GW sky localization uncertainties dwarf the angular scale of gravitational lensing, the mass and structure of gravitational lenses is diverse, the mass function of stellar remnant compact objects is not yet well constrained, and GW detectors do not operate continuously. We introduce a new approach that is agnostic to the mass and structure of the lenses, compare the efficiency of different methods for lensed GW discovery, and explore detection of lensed kilonova counterparts as a direct method for localising candidates. Our main conclusions are: (1) lensed neutron star mergers (NS-NS) are magnified into the "mass gap" between NS and black holes, therefore selecting candidates from public GW alerts with high mass gap probability is efficient, (2) the rate of detectable lensed NS-NS will approach one per year in the mid-2020s, (3) the arrival time difference between lensed NS-NS images is $1\, m sec\lesssimΔt\lesssim1\,year$, and thus well-matched to the operations of GW detectors and optical telescopes, (4) lensed kilonova counterparts are faint at peak (e.g.\ $r_{ m AB}\simeq24-26$ in the mid-2020s), fade quickly ($d<2\, m days$), and are detectable with target of opportunity observations with large wide-field telescopes. For example, just $\lesssim0.25$ per cent of Vera C.\ Rubin Observatory's observing time will be sufficient to follow up one well-localized candidate per year. Our predictions also provide a physically well-defined basis for exploring electromagnetically the exciting new "mass gap" discovery space.

研究の動機と目的

• レンズの質量や構造に依存しない方法により、重力レンズ効果を受ける重力波イベントを特定すること。
• 中性星とブラックホールの間の「質量ギャップ」に位置する可能性が非常に高い重力波アラートに焦点を当てることで、候補選定を改善すること。
• レンズ効果を受けるキロノーバ対応物の電磁気的追跡観測により、レンズ効果を受けるGW候補の局在化を可能にすること。
• 標的運用観測を用いたバーナ・ルビン宇宙望遠鏡によるレンズ効果を受けるキロノーバ対応物の検出可能性を評価すること。
• 検出可能なレンズ効果を受けるNS-NS合体の予想発生率と時間遅れを、GW検出器の稼働サイクルに整合させながら定量すること。

提案手法

• 著者らは、ニコール他（2021）のキロノーバ光曲線シミュレーションとレンズ効果モデルを組み合わせ、レンズ効果を受けるキロノーバ対応物の明るさと時間的変化を予測する。
• 中性星合体の重力波アラートにおいて、1.5–3 M☉の「質量ギャップ」に高い事後確率を有するもの（つまり、中性星合体のマグニフィケーションを受けるもの）を選別することで、レンズ効果を受けるNS-NS合体を候補とする。
• この手法は、レンズ効果を受けるNS-NS合体が質量ギャップにマッピングされることを仮定しており、これにより通常のNS-NSまたはBH-BH合体とは区別可能である。
• 50 deg²の局在領域をカバーする3エポックにわたるrバンドの深紫外観測を用いて、キロノーバ検出に必要な観測時間を推定する。
• レンズ像間の時間遅れは1秒から1年までの範囲に設定され、GW検出器の稼働サイクルおよび光学追跡観測の時間窓と整合する。
• 広視野能力を活かした標的観測により、わずかに明るく急激に消えるキロノーバ（ピーク r_AB ≈ 24–26）ですら検出可能であることが示され、この手法の妥当性が裏付けられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の世代の重力波検出器を用いたレンズ効果を受ける中性星合体の予想発生率はどの程度か？
• RQ2 レンズの質量や構造に関する事前仮定なしに、レンズ効果を受ける重力波候補を効率的に選別する方法は何か？
• RQ3 バーナ・ルビン宇宙望遠鏡でレンズ効果を受けるキロノーバ対応物を検出可能か？また、そのために必要な観測戦略は何か？
• RQ4 レンズ効果を受けるNS-NS合体の複数像間の時間遅れの範囲は何か？また、観測運用と整合するか？
• RQ5 高赤方偏移のキロノーバの静止系UV光曲線は、レンズ効果を受ける対応物の追跡観測により、GW検出と同時に測定可能か？

主な発見

• 検出可能なレンズ効果を受けるNS-NS合体の発生率は、2020年代半ばに年間約1件に達すると予測される。
• レンズ効果を受けるNS-NS合体は「質量ギャップ」（1.5–3 M☉）にマッピングされ、重力波アラートにおける高質量ギャップ確率により識別可能である。
• NS-NS合体のレンズ像間の時間遅れは1秒から1年までの範囲に予測され、GW検出器の稼働サイクルおよび光学追跡観測窓とよく整合する。
• レンズ効果を受けるキロノーバ対応物は r_AB ≈ 24–26 でピークに達し、2日未満で急激に減光するが、バーナ・ルビン宇宙望遠鏡を用いた深紫外の標的観測により検出可能である。
• 50 deg²の領域をカバーする3エポックのrバンド観測を、1件の良好に局在化されたレンズ効果を受けるNS-NS候補に対して実施するには、年間のルビン望遠鏡観測時間のわずか約0.25％で十分である。
• 最も強くマグニフィケーションを受けるレンズ効果を受けるキロノーバは、広帯域のVRバンドフィルターを用いた小口径望遠鏡でも検出可能である可能性がある。