[論文レビュー] Searches for continuous gravitational wave signals and stochastic backgrounds in LIGO and Virgo data

C. Palomba|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2012

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、S5およびVSR2科学運用期間中のLIGOおよびVirgoデータにおける連続的重力波（CW）および確率的重力波背景（SGWB）探索の結果を提示する。ターゲット化されたCW探索と全天空探索に加え、SGWBに向けた相互相関技術を用いることで、重力波エネルギー密度の上限として $\Omega_{gw}(f) < 6.9 \cdot 10^{-6}$ を設定した。これはビッグバン核合成および宇宙マイクロ波背景からの間接的宇宙論的境界を大きく上回り、宇宙超弦やビッグバン以前のシナリオを強く制約する。

ABSTRACT

We present results from searches of recent LIGO and Virgo data for continuous gravitational wave signals (CW) from spinning neutron stars and for a stochastic gravitational wave background (SGWB). The first part of the talk is devoted to CW analysis with a focus on two types of searches. In the targeted search of known neutron stars a precise knowledge of the star parameters is used to apply optimal filtering methods. In the absence of a signal detection, in a few cases, an upper limit on strain amplitude can be set that beats the spindown limit derived from attributing spin-down energy loss to the emission of gravitational waves. In contrast, blind all-sky searches are not directed at specific sources, but rather explore as large a portion of the parameter space as possible. Fully coherent methods cannot be used for these kind of searches which pose a non trivial computational challenge. The second part of the talk is focused on SGWB searches. A stochastic background of gravitational waves is expected to be produced by the superposition of many incoherent sources of cosmological or astrophysical origin. Given the random nature of this kind of signal, it is not possible to distinguish it from noise using a single detector. A typical data analysis strategy relies on cross-correlating the data from a pair or several pairs of detectors, which allows discriminating the searched signal from instrumental noise. Expected sensitivities and prospects for detection from the next generation of interferometers are also discussed for both kind of sources.

研究の動機と目的

• 既知の回転ニュートロニクルスタールから連続的重力波信号を、ターゲット化された探索および全天空探索法を用いて検出すること。
• 宇宙的または天体的非一様な源に起因する確率的重力波背景を検出または制約すること。
• 複数の検出器間の相互相関を用いて、重力波振幅の感度上限を向上させること。
• 重力波エネルギー密度に関する天体物理学的および宇宙論的意味のある上限を設定すること。
• 高度化された検出器の準備として、解析手法を精緻化し、将来の検出可能性を評価すること。

提案手法

• ターゲット化されたCW探索では、源パラメータ（例えば既知のパulsar）の正確な知識を用いたマッチドフィルタリングを用い、長時間にわたるデータをコherently統合する。
• 全天空のブラインド探索では、計算上の課題を克服するため、半コherentおよび階層的アプローチを用いて広いパラメータ空間を探索する。
• SGWB解析は、複数の検出器間のデータ相互相関に依存し、確率的信号と相関のない機器ノイズを区別する。
• 相互相関技術は、検出器のビームパターン関数を用い、ドップラー効果および相対論的効果を考慮する。
• マッチドフィルタリングおよびクロスパワー周波数スペクトル推定を用いて、重力波エネルギー密度 $\Omega_{gw}(f)$ の上限を導出する。
• 電波観測からの事前情報を取り入れ、ニュートロニクルスターのグルーブや回転減衰の進化を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既知の回転ニュートロニクルスターから生じる連続的重力波信号が、LIGOおよびVirgoデータで検出可能か？
• RQ2 回転減衰限界未満のニュートロニクルスターに対する重力波振幅の上限は何か？
• RQ3 複数の検出器間の相互相関を用いて、確率的重力波背景を検出器ノイズから区別できるか？
• RQ4 現在の $\Omega_{gw}(f)$ の上限は、ビッグバン核合成および宇宙マイクロ波背景からの間接的宇宙論的境界と比べてどうか？
• RQ5 現在の結果が、宇宙超弦モデルおよびビッグバン以前の宇宙論に与える制約は何か？

主な発見

• 確率的重力波背景に対して $\Omega_{gw}(f) < 6.9 \cdot 10^{-6}$ の上限が設定され、これは間接的宇宙論的境界を大きく上回った。
• この上限により、図4に示すように、宇宙超弦モデルの $G\mu$-$\epsilon$ 平面における領域が除外された。
• このSGWBの上限は、ビッグバン核合成の境界 $1.5 \cdot 10^{-5}$ よりも高く、宇宙マイクロ波背景の境界 $1.1 \cdot 10^{-5}$ よりも高い。
• ターゲット化されたCW探索において、一部のニュートロニクルスターに対して、回転減衰限界未満の振幅上限が設定され、重力波放射による回転減衰エネルギーの割合が制約された。
• H1-H2データの相互相関解析は継続中であり、環境的相関をモデル化することで感度を向上させる取り組みが進行中である。
• 高度化された検出器では感度が2桁向上すると予想され、これによりビッグバン以前の宇宙論および宇宙超弦モデルに対するさらなる制約が可能になる。