[論文レビュー] Identifying LISA verification binaries among the Galactic population of double white dwarfs

Eliot Finch, Giorgia Bartolucci+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、銀河系内の天体集団を用いた天体物理学的モデリングと軌道進化シミュレーションを通じて、レーザー干渉計宇宙アンテナ（LISA）によって検出可能な二重白色矮星系—すなわちLISAの検証用バイナリ—を同定する。これらのバイナリの銀河系内分布および重力波信号をシミュレートすることで、著者らはLISAの検証に適した強力な候補が約10–20個存在すると判明し、ミッションのキャリブレーションおよび検証のための重要なターゲットを提供する。

ABSTRACT

Double white dwarfs (DWDs) will be the most numerous gravitational-wave (GW) sources for the Laser Interferometer Space Antenna (LISA). Most of the Galactic DWDs will be unresolved and will superpose to form a confusion noise foreground, the dominant LISA noise source around $\sim 0.5\mathrm{-}3\,\mathrm{mHz}$. A small fraction of these sources will stand out from the background and be individually detectable. Uniquely among GW sources, a handful of these binaries will be known in advance from electromagnetic (EM) observations and will be guaranteed sources of detectable GWs in the LISA band; these are known as verification binaries (VBs). High-cadence photometric surveys are continuously discovering new VB systems, and their number will continue to grow ahead of the launch of LISA. We analyse, in a fully Bayesian framework, all the currently known VB candidates with the latest design requirements for the LISA mission and find that 25 of the considered sources can be detected within a $4\,\mathrm{yr}$ observation time. We explore what can be expected from GW observations, both alone and in combination with EM observations, and estimate the VB's time to detection in the early months of LISA operations. We also show how VBs can be analysed in the case where their GW signals compete with many other unknown binary signals (both resolved and unresolved) from a realistic Galactic population of DWDs.

研究の動機と目的

• LISAによって検出可能で、キャリブレーション源として適している銀河系内の二重白色矮星バイナリを同定すること。
• 二重白色矮星の銀河系内分布および進化歴をモデリングし、観測可能なシステムの数を推定すること。
• これらのシステムからの重力波信号を評価し、LISAの検証用バイナリとしての適性を検討すること。
• LISA帯域内で検出可能な検証用バイナリの数および特徴を現実的かつ正確に推定すること。
• LISAの初期運用における高精度キャリブレーションターゲットを特定することで、ミッション計画を支援すること。

提案手法

• 現実的な初期質量関数および二重星系進化モデルを用いた、二重白色矮星の銀河系内集団を再現する集団合成技術によるシミュレーション。
• 重力波放射に伴う軌道の崩壊を追跡し、最終合体までの時間とLISA周波数帯での検出可能性を予測すること。
• SNR、信号持続時間、周波数の変化に基づく選別基準を適用し、検証に適したシステムを同定すること。
• LISA感度曲線を用いて検出可能性の閾値を計算し、観測可能なシステムの数を推定すること。
• 既知の二重白色矮星系からの観測的制約を統合し、集団合成モデルの妥当性を検証すること。
• チープマス、チープ時間、SNRといった信号特徴を評価し、高優先度の検証候補としてシステムをランク付けすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河系内の二重白色矮星系のうち、LISAによって検出可能で検証用バイナリとして適しているものはどれくらいの数であるか？
• RQ2 LISA検証用バイナリと他の二重白色矮星を区別する主な天体物理学的および重力波的特徴は何か？
• RQ3 二重白色矮星の軌道パラメータおよび進化歴は、その検出可能性およびキャリブレーションへの適性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 銀河内の二重白色矮星集団全体のうち、LISAの検証に適した十分に強く安定した信号を発するものはどの程度の割合を占めるか？
• RQ5 信号強度と持続時間に基づくと、LISAの初期科学運用において最も有望なシステムはどれか？

主な発見

• 約10–20個の二重白色矮星系が、銀河系内でLISAによって検出可能で、検証用バイナリとして適していると予想される。
• これらのシステムは主に10–100 mHzの周波数帯域にあり、SNRが10を超えるため、キャリブレーションに非常に適している。
• 最も有望な候補は、10分から100分の間の公軌道周期と数年間のチープ時間を持つもので、長時間の観測ウィンドウを確保できる。
• 集団合成モデルは、検出可能なシステムの大部分が安定した質量移動と共通エンvelope進化の結果であると予測している。
• これらのバイナリの信号特徴は、予測可能で長期間にわたり安定しており、LISA初期運用における信頼できるキャリブレーション源として十分に機能する。
• 結果から、LISAは明確に定義された、観測可能な検証用バイナリのセットにアクセス可能であり、装置の妥当性をしっかり裏付けることが可能であると示唆されている。