[論文レビュー] Prospects for early localization of gravitational-wave signals from compact binary coalescences with advanced detectors

A. Manzotti, Alexander Dietz|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2012

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 6被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、アドバンスド・リゴ、バービオ、およびカグラ検出器を用いた、コンパクトな二重星合体からの重力波信号の早期検出および天球位置特定の可能性を調査する。モンテカルロシミュレーションを用いて、カグラの追加により、天球位置特定の領域が数100平方度以下にまで縮小されることを示し、光学望遠鏡による迅速な追従観測が可能となり、合体の前段階においてもマルチメッセンジャーアストロノミーが現実可能となることを示している。

ABSTRACT

A leading candidate source of detectable gravitational waves is the inspiral and merger of pairs of stellar-mass compact objects. The advanced LIGO and advanced Virgo detectors will allow scientists to detect inspiral signals from more massive systems and at earlier times in the detector band, than with first generation detectors. The signal from a coalescence of two neutron stars is expected to stay in the sensitive band of advanced detectors for several minutes, thus allowing detection before the final coalescence of the system. In this work, the prospects of detecting inspiral signals prior to coalescence, and the possibility to derive a suitable sky area for source locations are investigated. As a large fraction of the signal is accumulated in the last ~10 seconds prior to coalescence, bandwidth and timing accuracy are largely accrued in the very last moments prior to coalescence. We use Monte Carlo techniques to estimate the accuracy of sky localization through networks of ground-based interferometers such as aLIGO and aVirgo. With the addition of the Japanese KAGRA detector, it is shown that the detection and triangulation before coalescence may be feasible.

研究の動機と目的

• アドバンスド検出器ネットワークを用いた、最終合体の前におけるコンパクトな二重星合体からの重力波信号の検出可能性を評価すること。
• 特に複数検出器ネットワークを用いた場合の、このような早期検出における天球位置特定の精度を評価すること。
• 早期の位置特定が、電磁気的望遠鏡による効果的な追従観測を可能にするかを検討すること。
• LIGO-Virgoネットワークにカグラ検出器を追加した場合の、位置特定性能への影響を調査すること。
• 実際のSNR閾値を想定した場合、合体からどの程度の時間前まで検出と位置特定が現実的に可能であるかを定量すること。

提案手法

• ニュートン近似の後段階（post-Newtonian）近似を用いて、中性子星–中性子星（NS–NS）および中性子星–ブラックホール（NS–BH）系の非回転二重星のインスピレーション波形をシミュレートした。
• 期待されるaLIGO、aVirgo、およびKAGRAのノイズパワー密度スペクトル曲線を用いて、信号対雑音比（SNR）を計算した。
• 検出器ネットワーク間の到着時刻差を用いた三角測定法を適用し、天球位置特定の精度を推定した。
• 空間に一様に分布する源をシミュレートするためのモンテカルロ技術を用い、検出確率および天球領域分布を計算した。
• 最後の10秒間の合体前における、2検出器ネットワーク（LIGO–Virgo）および3検出器ネットワーク（LIGO–Virgo–KAGRA）の位置特定性能を評価した。
• 電磁気的追従観測の可能性を評価するため、所定の検出確率を達成するために観測する必要がある空の割合を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アドバンスド・リゴ–バービオネットワークを用いた場合、合体から10秒以上前におけるコンパクトな二重星合体信号の検出確率はどの程度か？
• RQ2 カグラ検出器の追加により、早期重力波検出における天球位置特定の精度はどのように向上するか？
• RQ3 GWトリガー後に電磁気的対応体を捕らえる高い確率を達成するには、空のどの程度を観測する必要があるか？
• RQ4 データ処理および通信遅延を克服できるか、GW検出後数秒以内に電磁気的追従観測を実施できるか？
• RQ5 異なる検出器ネットワーク構成における、合体から経過時間の関数としての天球位置特定領域の変化はどのようなものか？

主な発見

• NS–NS系では、LIGO–Virgoネットワークを用いた場合、合体から約10秒前にSNR > 7で検出可能なバイナリは全体の約3%にとどまる。
• NS–BH系では、同じネットワークを用いた場合、合体から10秒前に検出確率は約0.6%にまで低下する。
• カグラの追加により、天球位置特定領域が数100平方度以下にまで縮小され、電磁気的追従観測が現実可能となる。
• 10平方度の望遠鏡を用いる場合、最も感度の高い領域を基準に、空の40%を観測すれば、約80%の確率で位置特定領域をカバーできる。
• 3検出器ネットワークを用いた場合、光学的追従観測の成功確率は合体に近づくにつれて急激に低下する：t=0 sで90%、t=1 sで6%、t=3 sで1%未満にまで低下する。
• カグラの追加により、3検出器ネットワークに存在する方向の曖昧性が解消され、位置特定の精度が著しく向上し、単一望遠鏡による追従観測が可能になる。