[論文レビュー] On the detection and precise localisation of merging black holes events through strong gravitational lensing

Ewoud Wempe, L. V. E. Koopmans+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 97被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、LIGO-Virgo-KAGRAが検出する合体ブラックホールイベントを、Euclidに類似した調査から得られる電磁気的データと重力波信号を照合することで、強力な重力レンズ効果を用いて高精度で局在化することを提案している。重力レンズ効果がかかる四重像を持つイベントの21.9–34.6%が、高い事後確率でレンズ効果があると正しく特定可能であり、これによりミリアーセンド分未満の局在化が可能となる。ただし、初回の検出には深紫外観測と感度向上が求められる。

ABSTRACT

To unlock the full spectrum of astrophysical and cosmological applications of gravitational-wave detections, it is essential to localise the associated black-hole mergers to high precision inside their host galaxies. One possible method to achieve this is to compare the properties of multiple detections of gravitationally-lensed binary black-hole merger events with the properties of strong gravitational lens systems located in the joint sky localisation of the gravitational-wave detections. In this work, we simulate the population of binary black-hole mergers lensed by galaxy-scale lenses and detectable by LIGO-Virgo-Kagra in the coming decade and the population of galaxy-scale strong lenses that will be detected by Euclid. We use these simulations to investigate the prospects for localising strongly lensed binary black-hole mergers inside the lensed galaxies of 'Euclid-like' galaxy-scale strong lenses. We find that for 20-50% of strongly lensed gravitational wave events the lens system is detectable with Euclid, if the event falls in its survey footprint. Of these, we expect to correctly identify the strongly-lensed host galaxy as likely (with posterior probability) host galaxy - based on Bayesian evidence ranking of candidate hosts - for 34.6-21.9% of quadruply-lensed gravitational-wave events when given an a-priori 1-5 deg^2 gravitational-wave-only sky localisation. For triply and doubly lensed gravitational-wave events, this becomes 29.8-14.9% and 16.4-6.6% respectively. If successfully identified, however, the localisation can be better than a fraction of the host-galaxy size, i.e. of order milli-arcseconds. A first detection in the coming decade, however, probably requires dedicated deep and high-resolution follow-ups and continued upgrades in the current and planned gravitational-wave detectors.

研究の動機と目的

• 重力波と電磁気的調査のマルチメッセンジャーデータを用いて、強力にレンズ効果を受ける二重ブラックホール合体の高精度な局在化可能性を調査すること。
• 将来の調査（例：Euclid）を用いて、重力波イベントのレンズ効果を及ぼす銀河の検出確率を評価すること。
• ベイズ的証拠ランク付けに基づいて、レンズ効果を受ける重力波イベントの母銀河の同定精度を定量化すること。
• 天の川の局在化不確実性が、レンズ効果を受ける母銀河の同定成功率に与える影響を評価すること。
• 電磁気的データを用いて、重力波の強力レンズ効果検出を独立して検証する可能性を検討すること。

提案手法

• 今後10年間でLIGO-Virgo-KAGRAが検出可能な銀河スケールのレンズによってレンズ効果を受ける二重ブラックホール合体の集団をシミュレートすること。
• 合成されたレンズ効果を受ける重力波信号を、シミュレートされたEuclidに類似した調査からの強力レンズ系と照合すること。
• 重力波の天の川局在領域内における候補母銀河を比較するためにベイズ的証拠ランク付けを用いること。
• 各候補レンズ-母銀河系の周辺尤度を、重力波データとレンズモデルに基づいて重要度サンプリングを用いて推定すること。
• レンズおよび源の性質に関する天体物理学的事前分布を尤度フレームワークに組み込み、同定精度を向上させること。
• 四重像、三重像、二重像のレンズ効果を持つイベントを含む、さまざまなレンズ効果構成における手法の性能を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LIGO-Virgo-KAGRAが検出する強力レンズ効果を受ける二重ブラックホール合体のうち、どの程度がEuclidで検出可能な銀河スケールのレンズ系によってレンズ効果を受けていると特定可能か？
• RQ2 ベイズ的証拠ランク付けを用いて、レンズ効果を受ける重力波イベントの真の母銀河を、候補母銀河の中からどの程度正確に同定できるか？
• RQ3 マルチメッセンジャーデータを用いて、レンズ効果を受ける重力波イベントの天の川局在精度はどの程度達成可能か？
• RQ4 レンズ効果の多重性（四重像 vs. 三重像 vs. 二重像）に応じて、検出効率はどのように変化するか？
• RQ5 レンズ効果を受ける重力波イベントに対する電磁気的フォローアップ観測が、強力レンズ効果の独立的確認を可能とし、誤検出のリスクを低減できるか？

主な発見

• 重力波イベントがEuclidの調査領域内にある場合、強力レンズ効果を受ける重力波イベントの20%～50%が、Euclidでレンズ系を検出可能と予想される。
• 四重像のイベントでは、重力波の天の川局在領域が1–5 deg²の場合、34.6%～21.9%が高い事後確率でレンズ効果があると正しく同定可能である。
• 三重像のイベントでは同定成功率が29.8%～14.9%、二重像のイベントでは16.4%～6.6%である。
• 正しく同定された場合、局在化精度はミリアーセンド分未満に達し、非レンズ効果を受けるイベントよりも著しく優れている。
• 今後10年間で最初のレンズ効果を受ける重力波イベントの検出には、専用の深紫外・高解像度の電磁気的フォローアップ観測が必要とされる。
• 電磁気的データと照合することで、レンズ効果の仮説を独立して検証でき、天体的偶然の誤検出を低減できる。