[論文レビュー] Searching for Mini Extreme Mass Ratio Inspirals with Gravitational-Wave Detectors

Huai-Ke Guo, Andrew H. Miller|arXiv (Cornell University)|May 19, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、LIGO/Virgoのデータにおいて、星質量のコンパクトな物体と太陽質量未満の未知のコンパクトな物体を有するミニ極端質量比インスパイヤル（mini-EMRI）を同定するため、ホフ変換を用いる手法を提案する。現在および将来の地上基準の検出器が、広範な未知のコンパクト物体の質量を探索可能であり、中程度の質量比では最大約10 Mpcの検出範囲を有する。これは重力波を通じた新しい物理の発見への道筋を示している。

ABSTRACT

A compact object with a mass $\mathcal{O}(1 \sim 1000) M_{\odot}$, such as a black hole of stellar or primordial origin or a neutron star, and a much lighter exotic compact object with a subsolar mass could form a non-standard mini extreme mass ratio inspiral (EMRI) and emit gravitational waves within the frequency band of ground-based gravitational-wave detectors. These systems are extremely interesting because detecting them would definitively point to new physics. We study the capability of using LIGO/Virgo to search for mini-EMRIs and find that a large class of exotic compact objects can be probed at current and design sensitivities using a method based on the Hough Transform that tracks quasi power-law signals during the inspiral phase of the mini-EMRI system.

研究の動機と目的

• 地上基準の重力波データにおいて、質量比が約10⁻⁵のミニ-EMRI（コンパクト物体の二重星系）を検出するための手法を開発すること。
• 太陽質量未満の未知のコンパクト物体（ECO）からの長期間にわたる、周波数がゆっくり変化する chirp シグナルを、従来のマッチドフィルタリング手法では検出できないという課題に対処すること。
• 既知の星の残骸を越えて、質量が約1 M⊙から太陽質量未満までの未知のコンパクト物体の探索空間を拡張すること。
• 既存および将来の地上基準検出器が、連続波に類似した手法を用いることで、このような系を十分な感度で検出可能であることを示すこと。

提案手法

• 本手法は、数時間から数年にわたって周波数がゆっくり変化するミニ-EMRIの準パワーローw chirp シグナルを追跡するためにホフ変換を用いる。
• データの時間周波数マップを用い、等化されたパワースペクトルに閾値を適用して候補シグナルを特定する。
• ホフマップにおける重要な比（CR）を用いて、ノイズからの本物のシグナルを区別し、95%信頼水準でCR_thr = 5の閾値を設定する。
• 信号の周波数変化の様子からチルプマスを推定し、インスパイラル信号の既知の関数形を活用する。
• 非定常的ノイズおよびデータ欠損に対応するため、観測時間T_obsの区間ごとに時間周波数チャンクを分析し、FFTを用いる。
• 検出閾値は、ノイズのパワースペクトル密度S_n(f)、信号対雑音比、誤検出確率を含む統計的枠組みから導出される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LIGO/Virgoのような地上基準の重力波検出器は、太陽質量未満の未知のコンパクト物体を有するミニ-EMRIを検出可能か？
• RQ2 異なる質量比および初期周波数において、このような系の有効な検出範囲はどの程度か？
• RQ3 軽い方のECOの潮汐破壊半径が、重力波シグナルの検出可能性にどのように影響するか？
• RQ4 非定常的ノイズおよびデータ欠損がある中で、ホフ変換手法はミニ-EMRIの準パワーローw chirp を効果的に追跡できるか？
• RQ5 現在および将来の検出器感度では、未知のコンパクト物体のパrameter空間のどの程度が探索可能か？

主な発見

• 10 M⊙の主星でスピンがゼロの場合、質量比が約10⁻⁵の系では検出範囲が最大約10 Mpcに達し、より極端な比では約1 kpcまで減少する。
• 検出距離は中程度の初期周波数（例：約20–30 Hz）でピークを示し、周波数が高くなるとバンド内での信号持続時間が短くなるため低下する。
• 質量比が約10⁻⁵の系は最大約10 Mpcの距離まで検出可能であり、銀河規模の検出可能性が示唆される。
• 軽い方のECOの潮汐半径が10 Hz帯に達すると、信号パワーが失われ、(m, C)平面における検出可能領域の境界を形成する。
• ホフ変換手法は高い感度で信号を特定でき、95%信頼水準でCR閾値5を達成し、信頼性の高い候補選定が可能である。
• 将来の検出器（エイントシュタイン・テレスコープおよびコズミック・エクスプローラー）は検出範囲を大幅に拡大し、ミルキーウェイでのミニ-EMRIの検出が次第に現実のものとなる。