[論文レビュー] Prospects for Localization of Gravitational Wave Transients by the Advanced LIGO and Advanced Virgo Observatories

J. Aasi, J. Abadie+96 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2013

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 43

ひとこと要約

本論文は、今後10年間におけるAdvanced LIGOとAdvanced Virgoのネットワークを用いた重力波遷移源、特に二重中性子星合体の局所化可能性の見通しを評価している。3台以上の感度が同等で帯域が広い検出器、特にインドに位置するLIGO施設を含む場合、信号の局所化を数平方度にまで縮小でき、マルチメッセンジャーアストロノミーにおける効率的なフォローアップが可能になると判明した。

ABSTRACT

We present a possible observing scenario for the Advanced LIGO and Advanced Virgo gravitational wave detectors over the next decade, with the intention of providing information to the astronomy community to facilitate planning for multi-messenger astronomy with gravitational waves. We determine the expected sensitivity of the network to transient gravitational-wave signals, and study the capability of the network to determine the sky location of the source. For concreteness, we focus primarily on gravitational-wave signals from the inspiral of binary neutron star (BNS) systems, as the source considered likely to be the most common for detection and also promising for multimessenger astronomy. We find that confident detections will likely require at least 2 detectors operating with BNS sensitive ranges of at least 100 Mpc, while ranges approaching 200 Mpc should give at least ~1 BNS detection per year even under pessimistic predictions of signal rates. The ability to localize the source of the detected signals depends on the geographical distribution of the detectors and their relative sensitivity, and can be as large as thousands of square degrees with only 2 sensitive detectors operating. Determining the sky position of a significant fraction of detected signals to areas of 5 sq deg to 20 sq deg will require at least 3 detectors of sensitivity within a factor of ~2 of each other and with a broad frequency bandwidth. Should one of the LIGO detectors be relocated in India as expected, many gravitational-wave signals will be localized to a few square degrees by gravitational-wave observations alone.

研究の動機と目的

• 今後10年間におけるAdvanced LIGOとAdvanced Virgoの観測状況を、マルチメッセンジャーアストロノミーを支援する観点から、天文コミュニティに現実的かつ具体的に提示すること。
• 特に二重中性子星（BNS）系からの遷移的重力波信号に対するネットワークの感度を定量化すること。
• 検出器ネットワークが、重力波源の天球位置をどれほど高精度に局所化できるかを評価すること。
• BNS検出を確実に可能にし、効果的な局所化を実現するための最小限の検出器構成と感度要件を特定すること。

提案手法

• 二重中性星（BNS）合体に特化した、Advanced LIGOとAdvanced Virgoネットワークの予想される感度をモデル化すること。
• シミュレートされた信号注入を用いて、検出器の配置と相対的感度が天球局所化精度に与える影響を分析すること。
• 二検出器および三検出器の構成を含む、さまざまなネットワーク構成における局所化性能を評価すること。
• インドに位置するLIGO検出器の導入が、ネットワークの基線分布を改善することで局所化性能をどのように向上させるかを評価すること。
• 局所化領域の立体角に基づく指標を用いて、局所化性能を定量的に評価すること。
• 楽観的および悲観的なBNS発生率仮定の下で性能を比較し、検出と局所化の閾値を特定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二検出器での信頼性の高い重力波検出を実現するためには、BNSに感度を持つ範囲がどの程度必要か？
• RQ2 検出器の数と配置が、重力波遷移源の天球局所化精度にどのように影響するか？
• RQ3 少なくとも50％の信号を5～20平方度の範囲に局所化できるために必要な検出器感度と地理的配置は何か？
• RQ4 インドにLIGO検出器を追加することで、重力波信号の局所化性能はどのように向上するか？
• RQ5 保守的な発生率推定値のもとで、年間の二重中性星信号検出率はどの程度と予想されるか？

主な発見

• 二重中性星（BNS）信号の信頼性のある検出には、少なくとも2台の検出器がBNSに感度を持つ範囲を100 Mpc以上に保つ必要がある。
• BNSに感度を持つ範囲が200 Mpcに近づけば、悲観的な信号発生率仮定のもとでも、年間1回以上のBNS検出が可能になる。
• 感度の高い検出器が2台のみの場合、天球局所化範囲は数平方千度にまで広がり、フォローアップの効率が著しく制限される。
• 信号の大部分を5～20平方度の範囲に局所化するためには、感度が互いに約2倍以内に収まる3台以上の検出器と広帯域周波数応答が必要となる。
• 1台のLIGO検出器をインドに移設すれば、重力波データのみを用いても、多くの重力波信号が数平方度の範囲に局所化可能になる。
• 基線の多様性が向上し、検出器間で感度がバランスしている場合、源の局所化能力は著しく向上する。