[論文レビュー] Listening to the Universe with Next Generation Ground-Based Gravitational-Wave Detectors

Ssohrab Borhanian, B. S. Sathyaprakash|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 24

ひとこと要約

本論文は、将来の地上型ガウ detector ネットワーク（A+、Voyager、CEおよびETに類するNG）を用いたフィッシャー解析により、BNSおよびBBH連合の検出・定位・マルチメッセージ潜在性を予測する。

ABSTRACT

In this study, we use simple performance metrics to assess the science capabilities of future ground-based gravitational-wave detector networks -- composed of A+ or Voyager upgrades to the LIGO, Virgo, and KAGRA observatories and proposed next generation observatories such as Cosmic Explorer and Einstein Telescope. These metrics refer to coalescences of binary neutron stars (BNSs) and binary black holes (BBHs) and include: (i) network detection efficiency and detection rate of cosmological sources as a function of redshift, (ii) signal-to-noise ratios and the accuracy with which intrinsic and extrinsic parameters would be measured, and (iii) enabling multimessenger astronomy with gravitational waves by accurate 3D localization and early warning alerts. We further discuss the science enabled by the small population of rare and extremely loud events. While imminent upgrades will provide impressive advances in all these metrics, next generation observatories will deliver an improvement of an order-of-magnitude or more in most metrics. In fact, a network containing two or three such facilities will detect half of all the BNS and BBH mergers up to a redshift of $z=1$ and $z=20$, respectively, give access to hundreds of BNSs and ten thousand BBHs with signal-to-noise ratios exceeding 100, readily localize hundreds to thousands of mergers to within $1\,{ m deg^2}$ on the sky and better than 10% in luminosity distance, respectively, and consequently, enable mutlimessenger astronomy through follow-up surveys in the electromagnetic spectrum several times a week. Such networks will further shed light on potential cosmological merger populations and detect an abundance of high-fidelity BNS and BBH signals which will allow investigations of the high-density regime of matter at an unprecedented level and enable precision tests of general relativity in the strong-field regime, respectively.

研究の動機と目的

• A+、Voyager、および次世代観測所（CEとET）からなる将来のGW検出器ネットワークの科学能力を評価する。
• BNSおよびBBH連合の検出効率、SNR、パラメータ推定、および3D定位などのネットワーク性能指標を評価する。
• 初期警告アラートと天空定位を用いたマルチメッセージ天文学の可能性を定量化する。
• 希少で高信号対検出のGWイベントから生まれる科学機会と、それらが一般相対論検証および高密度物質物理へ与える示唆を探る。

提案手法

• 指定された質量、スピン、方位を用いて、検出器ネットワークとソース集団（BNSおよびBBH）をモデル化する。
• gwbenchを用いたフィッシャー情報フレームワークを用いて、ネットワーク構成のパラメータ誤差とSNRを推定する。
• 式(2)を用いて赤方偏移の関数としてネットワークSNRと検出効率を計算する（式(4)のシグモイド適合も含む）。
• 連合のための3D定位と前兆アラートを含む天空定位および早期警告能力をシミュレーションする。
• フィッシャー分析におけるBNSにはIMRPhenomD_NRTidalv2、BBHにはIMRPhenomHMのウェーブフォームモデリングを採用する。
• 各ネットワークの到達距離とホライゾン赤方偏移を検討し、赤方偏移ビンごとに検出率を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 A+、Voyager、およびNG検出器ネットワークは、BNSおよびBBH検出に対してどのような性能向上をもたらすか？
• RQ2 ネットワーク構成はSNR分布、パラメータ推定精度、天空定位にどのように影響するか？
• RQ3 異なるネットワークの到達距離およびホライゾン赤方偏移はどの程度で、それらが検出率とマルチメッセージの見通しへどう結びつくか？
• RQ4 電磁フォローアップを可能にするための早期警告と3D定位はどれほど実現可能か？
• RQ5 これらのネットワークにおける希少で高SNRのGWイベントから生じる科学機会は何か？

主な発見

• 次世代ネットワーク（NG）は、現在のアップグレードに比べてほとんどの指標を1桁以上改善する。
• 2つまたは3つのNG施設を含むネットワークは、BNS連合の全体の約半数をz=1まで、BBH連合をz=20まで検出できる。
• NGネットワークは、数百から数千の連合を1平方度以内に定位し、多くのイベントで光度距離を10%未満で測定できる。
• Voyagerネットワークは、BBH連合をz≈10、BNS連合をz≈0.9まで到達させ、多くのイベントで実質的なSNR（>100）を得る。
• NGネットワークは頻繁な追跡観測を通じてマルチメッセージ天文学を可能にし、GRの精密検証および高密度物質物理の検証を可能にする。