[論文レビュー] LIGO-Virgo events localization as a test of gravitational wave polarization state

Liudmila Fesik, Baryshev, Yu. V.+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、LIGO-Virgo検出器ネットワークからの天球位置特定を用いて重力波の偏光状態を特定する新規手法を提案する。時間遅れと歪み比の利用により、GW150914、GW151226、LVT151012の観測された源位置の許容領域である仮想的円周がローカルスーパークラスタ平面に平行であることが判明し、これらのイベントがこの大規模構造に関連している可能性を示唆する。一方、GW170104の仮想的円周は垂直であるが、その光学的対応体ATLAS17aeuがローカルスーパークラスタ平面に位置するため、依然としてLSC平面と整合的である。

ABSTRACT

The detection of the gravitational wave events GW150914, GW151226, LVT 151012 and GW170104 by the Advanced LIGO antennas has opened a new possibility for the study of fundamental physics of gravitational interaction. We suggest a new method for determining the polarization state of a gravitational wave, which is independent of the nature of a GW source. For this, we calculate the allowed sky positions of GW sources along apparent circles. This is done for each polarization state by considering the sensitivity pattern of each antenna and relative amplitudes of detected signals. The positions of circles are calculated with respect to the line joining both LIGO antennas using the observed arrival time delay of the signal between them. The apparent circles (AC) on the sky for allowed positions of the GW sources for the GW150914, GW151226 and LVT151012 events are parallel to the plane of the disc-like large scale structure known as the Local Super-Cluster (LSC) of galaxies which extends up to radius $\sim 100$ Mpc and having thickness $\sim 30$ Mpc. For the GW170104 event, the AC is perpendicular to the LSC plane but the predicted position of the source may also belong to the LSC plane, which is consistent with detection of possible optical counterpart ATLAS17aeu. The next aLIGO-aVirgo observing runs are proposed to test the possibility of clustering the GW sources along the LSC plane.

研究の動機と目的

• 干渉計検出器ネットワークを用いて、源の天体物理学的性質に依存しない偏光状態を特定する手法を開発すること。
• 観測された重力波イベントがテンソルまたはスカラー偏光モードと整合的であるかどうかを検証すること。
• 検出されたGW源の空間的分布が、ローカルスーパークラスタのような大規模構造と相関しているかどうかを調査すること。
• 歪み比と検出器間の時間遅れを用いて、テンソルとスカラー偏光状態を区別するフレームワークを提供すること。
• 将来の観測運用において、GW源がスーパー銀河平面に沿って集積しているかどうかをテストするための指針を提供すること。

提案手法

• 本手法は、各仮定された偏光状態に対して、検出器感度パターンと相対信号振幅に基づき、許容されるGW源位置の天球上の仮想的円周（AC）を計算する。
• 2つの検出器（LIGO-Livingston と LIGO-Hanford）間の信号時間遅れを用いて、それらの基準線に対して相対的な源方向を制約する。
• 各偏光状態（プラス、クロス、スカラー縦型、スカラー横型）について、理論的歪み比を計算し、検出器からの観測歪み比と比較する。
• 検出器応答をモデル化するためにG要因形式が適用され、検出器ペアにおけるG要因比が、異なる偏光モードの歪み比を予測するために用いられる。
• 理論的ACはスーパー銀河座標系で計算され、実際のイベントの位置特定と比較され、偏光状態の推定に用いられる。
• 本手法の偏光状態の区別能力を検証するため、スーパー銀河平面内および外に人工的源をシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 検出器応答と時間遅れ情報のみを用いて、源の天体物理学的性質に依存せずに重力波の偏光状態を特定できるか？
• RQ2 LIGO-Virgoイベントの観測された天球位置特定がローカルスーパークラスタ平面に一致しており、物理的関連性を示唆するか？
• RQ3 2腕型干渉計ネットワークは、歪み比とビームパターン解析を用いて、テンソルとスカラー偏光モードを区別できるか？
• RQ4 GWイベントの許容源位置の仮想的円周は偏光状態に敏感であり、これは代替重力理論のテストに利用できるか？
• RQ5 GW170104の光学的対応体（例：ATLAS17aeu）がローカルスーパークラスタ平面内にあることから、このイベントがその平面内にあるという仮説を支持するか？

主な発見

• GW150914、GW151226、LVT151012について、許容源位置の仮想的円周はローカルスーパークラスタのスーパー銀河平面に平行であり、これらのイベントがこの大規模構造に関連している可能性を示唆する。
• GW170104について、仮想的円周はスーパー銀河平面に垂直であるが、予測された源位置は平面から±30°以内に位置しており、光学的対応体ATLAS17aeuがローカルスーパークラスタ内にあることと整合的である。
• 本手法は2腕型干渉計を用いてテンソルとスカラー偏光モードを明確に区別できるが、1腕型検出器がなければスカラー縦型と横型モードを区別できない。
• 人工的源を用いたシミュレーションにより、歪み比とACの幾何学的形状に基づき、本手法が偏光状態を区別できることを確認した。特に、源がスーパー銀河平面内または外にある場合に顕著である。
• GWイベントがスーパー銀河平面に沿って集積していることは、ランダムな一致とは考えにくい。特に、イベントの距離が約400–1000 Mpcと非常に遠く、その影響が大きいことからも支持される。
• 結果は、将来のaLIGO-aVirgo観測運用において、GW源がスーパー銀河平面に沿って集積しているかどうかをテストすることで、偏光依存の位置特定をさらに検証すべきであるという仮説を支持する。