[論文レビュー] Finding the One: Identifying the Host Galaxies of Gravitational-Wave Sources

Hsin-Yu Chen, D. E. Holz|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 6被引用数 33

ひとこと要約

本論文は、特にLIGO/Virgoの第3期観測期間中に、将来の重力波検出器ネットワークが、『ゴールデンイベント』と呼ばれる小規模なコンパクト二重星合体源を、1,000 Mpc³未満の体積および10 deg²未満の天の川領域に局在化できることを示している。これらの極めて高精度に局在化された源は、電磁的対応物を必要とせず、宿主銀河の同定が可能となり、標準サインバルブを用いた直接的な宇宙論的測定と、深いつながりのあるマルチメッセンジャー追跡観測を可能にする。

ABSTRACT

We explore the localization of compact binary coalescences with ground-based gravitational-wave detector networks. We simulate tens of thousands of binary events, and present the distributions of localization sky areas and localization volumes for a range of sources and network configurations. We show that generically there exists a tail of particularly well-localized events, with 2D and 3D localizations of $<10\,\mbox{deg}^2$ and $<1000\,\mbox{Mpc}^3$ achievable, respectively, starting in LIGO/Virgo's third observing run. Incorporating estimates for the galaxy density and the binary event rates, we argue that future gravitational-wave detector networks will localize a small number of binary systems per year to a sufficiently small volume that the unique host galaxy might be identified. For these golden events, which are generally the closest and loudest ones, the gravitational-wave detector networks will point (in 3D; the length of the finger matters) directly at the source. This will allow for studies of the properties of the host galaxies of compact binary mergers, which may be an important component in exploring the formation channels of these sources. In addition, since the host will provide an independent measurement of the redshift, this will allow the use of the event as a standard siren to measure cosmology. Furthermore, identification of a small number of host galaxies can enable deep follow-up searches for associated electromagnetic transients.

研究の動機と目的

• コンパクト二重星合体源の地上重力波検出器ネットワークの局在性能を評価すること。
• 3次元局在化体積を用いた重力波源の宿主銀河同定の可能性を評価すること。
• 高精度に局在化されたこれらのイベントが、宇宙論的距離測定のための標準サインバルブとして機能できる可能性を評価すること。
• 宿主銀河同定が電磁的対応物の検出およびマルチメッセンジャーアストロノミーをどのように向上させるかを検討すること。

提案手法

• LALSuite波形を用いて、ランダムな天の川位置、傾斜角、赤方偏移における、数万件の二重星合体（1.4–1.4、10–10、30–30 M☉）をシミュレートする。
• Chen & Holz (2015) に基づく高速3次元局在化アルゴリズムを採用し、距離および赤方偏移マッピングを含めるように拡張する。
• 宇宙論的仮定を用いて局在化体積を銀河カタログにマッピングし、これらの体積内での銀河密度を推定する。
• 天の川局在領域と3次元体積制約を組み合わせることで、1イベントあたりの潜在的宿主銀河数を評価する。
• 大口径望遠鏡（例：DECam や LSST）を用いた宿主銀河の検出可能性を、明るさおよび調査効率を考慮して評価する。
• 宇宙論的パラメータの不確実性および銀河クラスタリングが宿主同定に与える影響をテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる検出器ネットワーク構成および源パラメータにおける、コンパクト二重星合体源の2次元天の川局在領域および3次元局在化体積の分布はどのようなものか？
• RQ2 将来の重力波ネットワークが、十分に小さな体積（例：1,000 Mpc³未満）に局在化できるイベントを十分な数だけ得られるか？
• RQ3 高精度に局在化された源の近接性が、現在および将来の望遠鏡を用いたその宿主銀河の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ4 宿主銀河の同定が、電磁的対応物を必要とせずに、標準サインバルブを用いた宇宙論的測定をどの程度可能にするか？
• RQ5 宇宙論的パラメータの不確実性および銀河クラスタリングの不確実性が、宿主銀河同定の信頼性に与える影響はどの程度か？

主な発見

• 最も明るく近くにあるコンパクト二重星合体源のわずか一部——『ゴールデンイベント』と呼ばれる——は、第3期観測期間から、3次元体積が1,000 Mpc³未満、2次元天の川領域が10 deg²未満に局在化可能である。
• 1,000 Mpc³未満に局在化された最も近い30–30 M☉二重星の距離は約400 Mpc（z ~ 0.1）であり、重力レンズ効果は無視できる。
• 設計感度でのHLVネットワークでは、BNSイベントの中央値90％天の川局在領域は1.8 deg²であり、DECamのような広視野スキャンが1ポイントあたり約1分で全カバレッジが可能である。
• これらの高精度に局在化されたイベントの宿主銀河は、通常十分に明るく（例：400 MpcにおけるBバンド等級は約17.6）、DECamのような機器を用いてリアルタイムでカタログ化可能である。
• 局在化体積内に潜在する宿主銀河の数が少なく、かつ近接していることから、電磁的対応物の高効率かつ深いつながりのある探索が可能になる。
• 宇宙論的パラメータの不確実性（例：±10％）があっても、局在化体積は十分に狭められ、宿主銀河の同定およびその後の標準サインバルブによる宇宙論的制約が可能になる。