[論文レビュー] What we can learn from multi-band observations of black hole binaries

Curt Cutler, Emanuele Berti+13 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 13

ひとこと要約

本ホワイトペーパーは、宇宙望遠鏡（LISA）と地上望遠鏡（エインシュタイン望遠鏡、コズミック・エクsplorers）の重力波データを組み合わせることで、ブラックホール二重星に対する前例のないパラメータ推定と一般相対性理論の検証が可能になることを示している。マルチバンド観測を活用することで、質量と距離のデゲネラシーが解消され、パラメータの精度が最大6桁向上し、サブスレッショルドの宇宙望遠鏡信号の再分析により検出可能な源の数が4–7倍に増加する。

ABSTRACT

The LIGO/Virgo gravitational-wave (GW) interferometers have to-date detected ten merging black hole (BH) binaries, some with masses considerably larger than had been anticipated. Stellar-mass BH binaries at the high end of the observed mass range (with "chirp mass" ${\cal M} \gtrsim 25 M_{\odot}$) should be detectable by a space-based GW observatory years before those binaries become visible to ground-based GW detectors. This white paper discusses some of the synergies that result when the same binaries are observed by instruments in space and on the ground. We consider intermediate-mass black hole binaries (with total mass $M \sim 10^2 -10^4 M_{\odot}$) as well as stellar-mass black hole binaries. We illustrate how combining space-based and ground-based data sets can break degeneracies and thereby improve our understanding of the binary's physical parameters. While early work focused on how space-based observatories can forecast precisely when some mergers will be observed on the ground, the reverse is also important: ground-based detections will allow us to "dig deeper" into archived, space-based data to confidently identify black hole inspirals whose signal-to-noise ratios were originally sub-threshold, increasing the number of binaries observed in both bands by a factor of $\sim 4 - 7$.

研究の動機と目的

• 宇宙および地上望遠鏡からのマルチバンド重力波観測がブラックホール二重星のパラメータ推定をどの程度向上させるかを調査すること。
• 宇宙望遠鏡（LISA）と地上望遠鏡（ET, CE）の間の相乗効果が、質量や距離などの二重星パラメータのデゲネラシーをどの程度解消できるかを定量すること。
• 地上望遠鏡による検出が、アーカイブされた宇宙望遠鏡データの再分析を通じて、従来はサブスレッショルドであった信号を同定可能にする方法を検討すること。
• マルチバンド観測が一般相対性理論の厳密な検証、特に中質量ブラックホール二重星に対してどの程度の可能性を提供するかを評価すること。
• マルチバンドデータが、集団レベルの周波数分布解析を通じてブラックホール二重星形成メカニズムの理解に与える影響を検討すること。

提案手法

• LISA, ET, CEの基準感度曲線を用いて、周波数帯域全体における信号対雑音比（SNR）をモデル化する。
• 整合的ベイズ解析を適用してマルチバンドデータを統合し、二重星パラメータの事後確率制約を改善する。
• 時間領域でブラックホール二重星からのチルプ信号をモデル化し、高周波数から低周波数への周波数変化を追跡する。
• 周波数の複数デケードにわたる位相変化が、一般相対性理論の検証に長いレバーアームを提供することを分析する。
• 狭帯域検出器構成が、ブラックホールの性質に関するリングダウンテストをどの程度向上させるかを検討する。
• B-Decigoのような将来のミッションが、0.1–1 Hz帯へのマルチバンドカバレッジを拡張し、NS/NS合体の早期警告を向上させる可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙および地上望遠鏡からのマルチバンド重力波観測は、単一バンド観測と比較して、ブラックホール二重星のパラメータ推定をどの程度向上させるか？
• RQ2 地上望遠鏡による検出が、アーカイブ済みの宇宙望遠鏡データにおけるサブスレッショルド信号の回復をどの程度可能にするか？
• RQ3 マルチバンド観測が一般相対性理論の検証に与える影響、特に中質量ブラックホール二重星に対しては？
• RQ4 重力波スペクトル全体における集団レベルの周波数分布が、ブラックホール二重星形成メカニズムをどの程度制約するか？
• RQ5 LISA、次世代地上望遠鏡、および将来的なミッション（例：B-Decigo）のデータを統合することで、どのような相乗効果が生じるか？

主な発見

• LISAと地上望遠鏡のデータを組み合わせることで、二重星パラメータの95％信頼領域（2-σ誤差楕円）の面積を最大6桁まで縮小でき、デゲネラシーが顕著に解消される。
• 地上望遠鏡による検出により、従来はサブスレッショルドであったLISA信号を同定可能となり、観測可能な二重星の数が4–7倍に増加する。
• 合計質量が約10^3 M☉の中質量ブラックホール二重星は、両バンドで高いSNRを示すため、代替重力理論に対する制約が最も強力になる。
• GW150914のような恒星質量ブラックホール二重星では、既に地上望遠鏡で高いSNRが得られているため、マルチバンドデータによるパラメータ推定の改善は限定的であるが、一般相対性理論の検証は依然として向上する。
• 狭帯域検出器構成は、ブラックホールのカー性質に関するリングダウンテストを最大2倍まで向上させることができ、特に第3世代検出器で顕著である。
• 将来的なミッション（例：B-Decigo）は、中性子星合体の早期警告を提供する可能性があり、LISAはその周波数帯域で長時間のインスピレーションを要するため、この能力に欠けている。