[論文レビュー] The Trouble With Templates

L. M. Sampson, Neil J. Cornish+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2013

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、一般相対性理論（GR）に基づく波形テンプレートを用いた重力波検出におけるリスクを調査し、特に合体・リングダウン段階で急激な逸脱や非GR的振る舞いを示す修正重力理論が、標準的なテンプレートでは検出を避けられることを示している。本研究では、一パラメータの後アインシュタイン的（ppE）フレームワークと、自己一貫性のある手法を提案し、高質量系に対しても堅牢なGRの検証が可能となるように、インスピレーション段階を分離する。ppEテンプレートは波形の複雑さにもかかわらず、非GR信号を正しく同定することができた。

ABSTRACT

Waveform templates are a powerful tool for extracting and characterizing gravitational wave signals, acting as highly restrictive priors on the signal morphologies that allow us to extract weak events buried deep in the instrumental noise. The templates map the waveform shapes to physical parameters, thus allowing us to produce posterior probability distributions for these parameters. However, there are attendant dangers in using highly restrictive signal priors. If strong field gravity is not accurately described by General Relativity (GR), then using GR templates may result in fundamental bias in the recovered parameters, or even worse, a complete failure to detect signals. Here we study such dangers, concentrating on three distinct possibilities. First, we show that there exist modified theories compatible with all existing tests that would fail to be detected by the LIGO/Virgo network using searches based on GR templates, but which would be detected using a one parameter post-Einsteinian extension. Second, we study modified theories that produce departures from GR that turn on suddenly at a critical frequency, producing waveforms that do not naively fit into the simplest parameterized post-Einsteinian (ppE) scheme. We show that even the simplest ppE templates are still capable of picking up these strange signals and diagnosing a departure from GR. Third, we study whether using inspiral-only ppE waveforms for signals that include merger and ringdown can lead to problems in misidentifying a GR departure. We present an easy technique that allows us to self-consistently identify the inspiral portion of the signal, and thus remove these potential biases, allowing GR tests to be performed on higher mass signals that merge within the detector band. We close by studying a parameterized waveform model that may allow us to test GR using the full inspiral-merger-ringdown signal.

研究の動機と目的

• 一般相対性理論に基づくテンプレートが、修正重力理論に由来する重力波信号を検出する際の限界を特定すること。
• 臨界周波数で急激なGRからの逸脱が生じる場合、標準的なパrameterized post-Einsteinian（ppE）テンプレートでは検出を避けられるかどうかを評価すること。
• 検出器帯域内に合併が発生する信号において、インスピレーション段階を分離する手法を開発し、GR検証におけるバイアスを低減すること。
• 合併およびリングダウンを含む信号に対して、インスピレーションのみのppE波形を用いることでGR検証が誤解を招く可能性があるかどうかを評価すること。
• インスピレーション〜合併〜リングダウン全体の信号をテスト可能な、完全パラメータ化された波形モデルを提案すること。

提案手法

• 著者らは、現在のテストに適合するがGRと整合しない修正重力理論を分析し、LIGO/VirgoがGRテンプレートを用いてその検出可能性を検討した。
• GRからの逸脱をモデル化するために、一パラメータの後アインシュタイン的（ppE）拡張を採用し、周波数依存の急激な逸脱を示す信号に対する感受性をテストした。
• 合併が検出器の感度帯域内に発生する場合でも、重力波信号のインスピレーション部分を特定する自己一貫性のある技術を導入した。
• 波形の形状に基づいて信号を段階に分離し、非GR的ダイナミクスの影響を避けるために、ppEテンプレートをインスピレーションセグメントにのみ適用できるようにした。
• さまざまな修正重力状況下で、GRテンプレートとppEテンプレートの検出性能を比較した。これは、標準的なppE形式でうまく記述できないケースも含む。
• 信号の各セグメントに関する事前の仮定を避け、インスピレーション〜合併〜リングダウン全体を用いたGR検証が可能な完全パラメータ化された波形モデルを提案した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のテストに適合するが、標準的なGRテンプレートを用いたLIGO/Virgoでは検出されない修正重力理論は存在するか？
• RQ2 周波数依存の急激なGRからの逸脱は、標準的なppEフレームワークを無効にし、ppEがそのような信号を検出できるか？
• RQ3 合併およびリングダウンを含む信号に対して、インスピレーションのみのppE波形を用いることで、GRの違反が誤って特定される可能性はあるか？
• RQ4 検出器帯域内に合併が発生する重力波信号のインスピレーション段階を、信頼性を持って分離することは可能か？
• RQ5 信号の各セグメントに関する事前の仮定を設けずに、完全パラメータ化された波形モデルがインスピレーション〜合併〜リングダウン全体の信号を用いてGRを効果的に検証できるか？

主な発見

• 現在のテストに適合するが、標準的なGRテンプレートでは検出されない修正重力理論が存在するが、一パラメータの後アインシュタイン的（ppE）拡張を用いることで検出可能である。
• 臨界周波数で急激な非GR的振る舞いを示す信号でさえ、最も単純なppEテンプレートを用いてGRからの逸脱として診断可能である。
• 提案された自己一貫性のある手法により、検出器帯域内に合併が発生する信号のインスピレーション段階を的確に分離でき、合併およびリングダウンのダイナミクスによるバイアスなしに正確なGR検証が可能になった。
• 合併およびリングダウンを含む信号に対してインスピレーションのみのppE波形を用いることは、顕著なパラメータ推定バイアスを引き起こす可能性があるが、これは位相分離手法によって是正された。
• 完全パラメータ化された波形モデルにより、インスピレーション〜合併〜リングダウン全体の信号を用いた一貫性のあるGR検証が可能となり、今後の重力波観測に向けた堅牢なフレームワークが提供された。