[論文レビュー] Status of the continuous gravitational wave searches in the Advanced Detector Era

M. Bejger|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、アドバンスト・リゴおよびバービオ時代における連続的重力波（CW）探索の現状をレビューし、非対称な回転ニュートロン星を源とするものに焦点を当てる。データ解析手法として、隠れマルコフモデルおよび複数のパイプライン（PowerFlux、FrequencyHough、Skyhough、Time-Domain 𝒮-stat）を詳細に記述し、100 Hzで$3 \times 10^{-25}$、円偏光に対しては$1.5 \times 10^{-25}$という95%信頼区間の上界を、O1ランで検出なしに達成した。

ABSTRACT

Periodic (almost monochromatic) gravitational waves emitted by rotating, asymmetric neutron stars are intriguing potential signals in the sensitivity band of Advanced LIGO and Advanced Virgo detectors. These signals are related to elastic and magnetic stresses in the neutron-star interior, as well as to various possible instabilities, and thus are interesting from the point of view of the largely-unknown neutron star structure. I will describe the main challenges related to these searches, the current state of the data-analysis methods and plans for the future.

研究の動機と目的

• アドバンスト・リゴおよびバービオ検出器からのデータを用いて、連続的重力波探索の現状を評価すること。
• 非対称に回転するニュートロン星からの微弱で長期間にわたる重力波信号を検出する際の課題に対処すること。
• 未知のスピン周波数および周波数の変動を扱えるように、高度なデータ解析技術を開発・適用すること。
• さまざまな源モデルおよび天の川領域に対して、重力波の歪み振幅の厳密な上界を設定すること。
• 多周波数放射および非テンソル性の波を含む、より洗練されたモデルによる今後の探索に備えること。

提案手法

• 連続的波探索におけるスピン周波数の変動および非単調的スピン進化を考慮するために、隠れマルコフモデルを用いる。
• 複数の独立したデータ解析パイプラインを採用：PowerFlux（周波数ドメイン）、FrequencyHough、Skyhough、Time-Domain 𝒮-stat（時間ドメイン）。
• 最初の段階の処理において、1800秒から6日までの異なるコherency時間（coherence time）を適用し、さまざまな信号タイプに最適化された感度を達成する。
• アンテナ応答関数$F_{+}$および$F_{\times}$を用いて、源の方向および偏光に応じた検出器感度をモデル化する。
• 四極子公式を用いて重力波歪み振幅を推定する：$h_0 \approx 4 \times 10^{-25} \left(\frac{\epsilon}{10^{-6}}\right)\left(\frac{I}{10^{45}\ \text{g cm}^2}\right)\left(\frac{f}{100\ \text{Hz}}\right)^2\left(\frac{100\ \text{pc}}{d}\right)$。
• オーバーサンプルの手動レビューにより、装置由来のアーティファクトを除外し、Einstein@Homeを用いたターゲット検索のためのフォローアップを支援する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アドバンスト・リゴ／バービオデータにおける、未知の非対称ニュートロン星からの連続的重力波を検出するための最も感度の高いデータ解析手法は何か？
• RQ2 周波数の変動および非単調的スピン進化は、連続的重力波信号の検出可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 O1データランにおける連続的波源の重力波歪み振幅に対する最もきつい上界は何か？
• RQ4 異なるデータ解析パイプラインは、感度および装置アーティファクトに対する耐性において、どのように比較されるか？
• RQ5 ニュートロン星からの一時的または多周波数連続的波信号を検出するために、何が改善される必要があるか？

主な発見

• O1ランでは連続的重力波信号は検出されなかったが、重力波歪み振幅に対してきわめて厳密な上界が設定された。
• 線形成偏光源では、100 Hzで95%信頼区間の上界が$3 \times 10^{-25}$に達した。
• 最適な向きの円偏光源では、170 Hzで上界が$1.5 \times 10^{-25}$に改善された。
• PowerFluxパイプラインは、最悪ケース（線形成偏光）で170 Hz近辺で$\sim 4 \times 10^{-25}$の上界を達成した。
• 複数のパイプライン段階を通過したオーバーサンプルは、手動レビューの結果、天体的信号ではなく装置由来のアーティファクトであることが判明した。
• 初期のリゴ／バービオラン（例：S6 Einstein@Home）の経験が、O1およびO2探索で現在使用されている新しいツールの開発を支援した。