[論文レビュー] Through the lens of Sgr A$^*$: identifying and resolving strongly lensed Continuous Gravitational Waves beyond the Einstein radius

Stefano Savastano, Filippo Vernizzi+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、次世代重力波検出器が、Sgr A*によって強力にレンズ効果を受ける孤立中性子星からの連続的重力波を、エインシュタイン半径をはるかに超える位置に存在する場合でさえ検出可能であり、正確に局在化できることを示している。これにより検出可能な源の数は10倍に増加する。また、レンズパラメータおよび天球位置を1–10%の精度で測定可能であり、銀河中心構造や軸対称性からの逸脱の探査が可能になる。

ABSTRACT

Lensed gravitational waves will offer new means to probe the distribution of matter in the universe, complementary to electromagnetic signals. Lensed continuous gravitational waves provide new challenges and opportunities beyond those of transient compact binary coalescence. Here we consider continuous gravitational waves emitted by isolated neutron stars and lensed by Sgr A$^*$, the supermassive black hole at the center of our galaxy, a system observable by the next generation of gravitational wave detectors. We analyze the signatures of this system in detail, addressing parameter estimation and model selection. Future detectors can distinguish lensed continuous waves and measure their parameters with precision $\sim 1 - 10\%$ for sources within $2-4$ Einstein radii of Sgr A$^*$, depending on the source distance, thanks to the relative motion of the observer-lens-source system. The chances of observing strongly-lensed neutron stars increase by one order of magnitude relative to previous estimates, thanks to the possibility of detecting lensed systems at several Einstein radii. Multiple images can be resolved with an angular accuracy $\sim 10$mas, comparable to the best optical telescopes. Image localization probes deviations from axial symmetry and the existence of companions to Sgr A$^*$ in regions complementary to stellar orbits and black hole imaging. Our methods and many of our results extend to other lenses (e.g. galactic substructure) and sources (e.g. long-lived inspiralling binaries), rendering lensed continuous gravitational waves into versatile probes of astrophysics and fundamental physics.

研究の動機と目的

• 銀河中心に位置する超大質量ブラックホールSgr A*によって強力にレンズ効果を受ける孤立中性子星（NS）からの連続的重力波（CW）の検出可能性を調査すること。
• 将来の第3世代（3G）重力波検出器が、CWの複数のレンズ像を解像し、高精度で局在化できるかどうかを評価すること。
• 源がエインシュタイン半径をはるかに超える位置に存在する場合でも、観測波形からレンズパラメータ（質量、インパクトパラメータなど）を推定する可能性を検討すること。
• レンズ効果を受けるCWが、銀河中心の構造的非対称性やSgr A*の未発見の同伴天体の存在をどのように探査できるかを検討すること。
• 他のレンズ効果を受けるCW系、例えば銀河の小構造や長寿命の連星系に対しても、この手法を拡張し、広範な天体物理学的および基礎物理学的応用を可能にすること。

提案手法

• 単色で、速度一定かつ周波数変化が無視できる回転中性子星を連続的重力波（CW）源としてモデル化する。
• 強力な重力レンズ理論を適用し、源が数個のエインシュタイン半径内に位置する場合にSgr A*によって生じる時間遅れ、増幅、位相シフトを伴う波形を計算する。
• ベイズ推論とネストド・サブセット法を用い、シミュレートされた検出器データから源およびレンズパラメータを推定する。これには、天球位置の局在化と不確実性の評価が含まれる。
• 観測者、レンズ、源の相対運動を組み込み、受信信号に時間変化する干渉縞を生成することで、レンズ効果のない信号との区別を容易にする。
• レンズパラメータを時間遅れ、振幅比、位相シフトなどの物理的観測量として表現し、モデル選択とパラメータ推定を可能にする。
• 2σのマージナライズド事後分布を用いて、ファイドケーシュの妥当性を検証し、パラメータ不確実性と検出限界を定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 源がエインシュタイン半径をはるかに超える位置にある場合でも、将来の3G重力波検出器がSgr A*によってレンズ効果を受ける中性子星からの連続的重力波を検出可能か？
• RQ2 レンズ効果を受けたCWはどの程度複数の像に分解可能であり、天球位置局在化にどの程度の角度分解能が達成可能か？
• RQ3 信号対雑音比が限られている状況下でも、質量やインパクトパラメータといったレンズパラメータを、レンズ効果を受けた信号から正確に推定可能か？
• RQ4 観測者–レンズ–源系の相対運動が、レンズ効果を受けたCWの検出可能性およびパラメータ推定にどのように影響するか？
• RQ5 レンズ効果を受けたCWを用いて、Sgr A*の周囲における小構造や非軸対称性（例えば、未発見の同伴天体）を探査可能か？

主な発見

• エインシュタイン半径をはるかに超える領域でも検出可能であるため、中性子星からの強力なレンズ効果を受ける連続的重力波源の検出数は、従来の推定値に比べて10倍に増加する。
• 将来的な3G検出器は、相対運動に起因する干渉縞のコherent性により、源およびレンズパラメータを1–10%の精度で測定可能であり、これは源の距離やレンズ構成に依存する。
• 複数のレンズ像は約10ミリアーセコンド（mas）の角度分解能で解像可能であり、最高の光学望遠鏡と同等の性能を示す。
• 個々の像の天球位置局在化により、Sgr A*系における軸対称性からの逸脱の探査や、恒星軌道やブラックホール像とは補完的な領域における同伴天体の検出が可能になる。
• 源がSgr A*から2–4エインシュタイン半径の距離に位置する場合でも、パラメータ推定は頑健であり、振幅、周波数、位相といった主要パラメータの事後不確実性は一貫している。
• 本手法および主要な結果は、銀河の小構造や長寿命の降下連星系を含む他のレンズ効果を受けるCW系に対しても一般化可能であり、天体物理学および基礎物理学分野における広範な応用が可能になる。