[論文レビュー] LISA Galactic binaries with astrometry from Gaia DR3

Thomas Kupfer, Valeriya Korol+12 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 15

ひとこと要約

本論文は Gaia DR3 天文測地を用いて距離を導出し、候補LISA検出可能な銀河バイナリ（計55個）のカタログを更新し、これらの系について1、3、6、48カ月の期間にわたり、ベイズ法を用いてLISAの検出可能性とパラメータ推定を予測する。

ABSTRACT

Galactic compact binaries with orbital periods shorter than a few hours emit detectable gravitational waves at low frequencies. Their gravitational wave signals can be detected with the future Laser Interferometer Space Antenna (LISA). Crucially, they may be useful in the early months of the mission operation in helping to validate LISA's performance in comparison to pre-launch expectations. We present an updated list of 55 candidate LISA binaries with measured properties, for which we derive distances based on Gaia Data release 3 astrometry. Based on the known properties from electromagnetic observations, we predict the LISA detectability after 1, 3, 6, and 48 months with state-of-the-art Bayesian analysis methods. We distinguish between verification and detectable binaries as being detectable after 3 and 48 months respectively. We find 18 verification binaries and 22 detectable sources, which triples the number of known LISA binaries over the last few years. These include detached double white dwarfs, AM CVn binaries, one ultracompact X-ray binary and two hot subdwarf binaries. We find that across this sample the gravitational wave amplitude is expected to be measured to $\approx10\%$ on average, while the inclination is expected to be determined with $\approx15^\circ$ precision. For detectable binaries these average errors increase to $\approx50\%$ and to $\approx40^\circ$ respectively.

研究の動機と目的

• Gaia DR2 以降の新しい発見を含め、候補LISA検証バイナリのサンプルを更新する。
• これらのバイナリの距離を Gaia DR3 のアストロメトリから導出し、GW 振幅を評価する。
• 複数の任務期間にわたって、ベイズ法を用いて LISA の検出可能性とバイナリパラメータ推定を予測する。
• 事後分布と観測時間枠に基づいて検証可能バイナリと検出可能バイナリを区別する。

提案手法

• 指数的体積密度事前を用いたベイズ事前を用いて、 Gaia DR3 の視差と固有運動を採用し距離を推定する。
• 銀河の運動学（V_rho, V_phi, e, J_z）を計算して薄円盤（薄いディスク）/厚い円盤の所属を割り当て、適切なスケール長 L（400 pc または 795 pc）を選択する。
• 距離をモデル化するため指数関数的に減少する事前を用い、動力学ダイアグラム（V_rho–V_phi, e–J_z）から所属を割り当てる。
• EM 観測に固定されたターゲット事前を用いた ldasoft の vbmcmc サンプラーを用いて、完全なベイズ推定アプローチで LISA GW の検出可能性とパラメータ推定を予測する。
• 未解決の銀河前景をシミュレーションノイズの一部として扱い、該当する場合にはノイズパラメータに対してトランス次元周辺化を実行する。
• 検証バイナリは 3 ヶ月以内に検出可能なもの、検出可能バイナリは 48 ヶ月後に検出可能なものと定義する。SNR の閾値ではなく事後分布の形状に基づく。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 更新されたサンプルの中で、 Gaia DR3 で距離が推定される LISA 検証バイナリおよび検出可能バイナリはいくつ特定できるか？
• RQ2 Gaia 由来距離と電磁波特性を考慮した場合、これらのバイナリの LISA GW 振幅と傾斜角の精度はどの程度か？
• RQ3 距離の不確かさと銀河の集団所属（薄円盤/厚円盤）が、予測される LISA の検出可能性とパラメータ推定にどう影響するか？
• RQ4 LISA の初期データ検証が、これらの既知バイナリをどのように利用して、ローンチ前の期待に対する性能検証を行うか？

主な発見

• 18 verification binaries expected to be detectable within 3 months based on posterior shapes.
• 22 detectable sources after 48 months, substantially increasing the known LISA binary sample.
• Across the sample, GW amplitude is expected to be measured to about 10% on average for verification binaries, and about 50% for detectable binaries.
• Inclination is expected to be determined with roughly 15 degrees precision for verification binaries and about 40 degrees for detectable binaries.
• The sample includes detached double white dwarfs, AM CVn binaries, an ultracompact X-ray binary, and hot subdwarf binaries.