[논문 리뷰] Calibration of Advanced Virgo and Reconstruction of the Gravitational Wave Signal h(t) during the Observing Run O2

F. Acernese, T. Adams외 281명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 09.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 O2 기간 동안 Advanced Virgo의 캘리브레이션과 레이저 파장으로 기준을 삼아 재구성한 중력파 신호 h(t)를 제시한다. 캘리브레이션 전달 방법을 사용하여, 신호의 진폭과 위상을 광다이오드 캘리브레이터(PCal) 주입을 기반으로 검증하였으며, 진폭 불확도는 5.1%로, 위상 불확도는 40 mrad로 도출되었으며 잔류 편향는 향후 향상의 대상으로 체계적 오차에 포함되었다.

ABSTRACT

In August 2017, Advanced Virgo joined Advanced LIGO for the end of the O2 run, leading to the first gravitational waves detections with the three-detector network. This paper describes the Advanced Virgo calibration and the gravitational wave strain h(t) reconstruction during O2. The methods are the same as the ones developed for the initial Virgo detector and have already been described in previous publications, this paper summarizes the differences and emphasis is put on estimating systematic uncertainties. Three versions of the h(t) signal have been computed for the Virgo O2 run, an online version and two post-run reprocessed versions with improved detector calibration and reconstruction algorithm. A photon calibrator has been used to establish the sign of h(t) and to make an independent partial cross-check of the systematic uncertainties. The uncertainties reached for the latest h(t) version are 5.1% in amplitude, 40 mrad in phase and 20 microseconds in timing.

연구 동기 및 목표

• 레이저 파장을 주요 기준으로 삼아 O2 기간 동안 Advanced Virgo의 거울 액추에이터 및 광학 부품(BS, NE, WE, PR, 마리오네트)의 캘리브레이션을 수행한다.
• 어두운 간섭 무늬 신호에서 액추에이터 제어 신호를 빼내어 중력파 신호 h(t)를 재구성한다.
• 재구성된 h(t) 신호의 체계적 불확도를 정량화하고 특성화하여 정확한 중력파 파rameter 추정을 지원한다.
• 재구성된 h(t)를 광다이오드 캘리브레이터(PCal) 주입과 비교하여 신호의 정밀도와 불확도를 평가한다.
• 향후 O3 및 그 이후의 고신호대비비율 감지에 대비해 캘리브레이션 불확도를 백분율 수준으로 낮춘다.

제안 방법

• 인터퍼로미터의 레이저 파장을 주요 캘리브레이션 기준으로 삼아 시스템의 전달 함수를 锚정한다.
• 레이저 기반 캘리브레이션을 거울 액추에이터 및 광학 부품으로 전달하기 위해 캘리브레이션 전달 절차를 적용한다.
• 재구성된 h(t)와 비교하기 위해 광다이오드 캘리브레이터(PCal)를 통해 알려진 신호를 주입한다.
• PCal 주입과 재구성된 h(t) 사이의 전달 함수를 2 kHz에서 노치 필터로 피팅하여 주파수 의존 응답을 모델링한다.
• 시작 시간 및 위상 측정의 오차 밴드를 사용하여 진폭(5.1%)과 위상(40 mrad)의 불확도를 추정한다.
• PCal 및 어두운 간섭 무늬 광다이오드의 시간 지연(±7 μs)을 GPS 타이밍을 통해 校정하여 반영한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 O2 기간 동안 액추에이터 제어 신호를 사용하여 Advanced Virgo에서 중력파 신호 h(t)를 얼마나 정확하게 재구성할 수 있는가?
• RQ2 광다이오드 캘리브레이터(PCal) 주입이 재구성된 h(t) 신호의 진폭과 위상에 얼마나 잘 검증되는가?
• RQ3 재구성된 h(t) 채널에서 지배적인 체계적 불확도의 원인은 무엇이며, 어떻게 정량화되는가?
• RQ4 PCal 주입과 표준 거울 액추에이터 캘리브레이션 간의 h(t) 재구성에서 주파수 의존성 편차는 어떻게 비교되는가?
• RQ5 향후 O3 관측을 위해 캘리브레이션 불확도를 백분율 수준으로 낮추기 위해 어떤 개선이 필요한가?

주요 결과

• 재구성된 h(t) 신호의 진폭은 PCal 주입 결과와 ±4% 오차 범위 내에서 일치하여 상대적 진폭 캘리브레이션의 타당성을 검증한다.
• 재구성된 h(t) 신호의 위상은 ±40 mrad의 불확도 범위 내에 있으며, 시간 지연 불확도가 위상 오차 예산에 ±7 μs 기여한다.
• h(t) 재구성에서의 주파수 의존성 편차는 표준 거울 액추에이터 캘리브레이션에서 관측된 것과 일치하여 신호 재구성에 실제 편향이 있음을 시사한다.
• PCal 검증을 통해 h(t)의 올바른 부호와 위상이 확인되었으며, 진폭 응답의 편향는 체계적 오차로 포함되었다.
• 최신 재처리 버전의 캘리브레이션 불확도는 진폭 기준 5.1%, 위상 기준 40 mrad이며, 시간 불확도는 20 μs이다.
• 향후 작업으로는 개선된 액추에이터 캘리브레이션, 새로운 뉴턴 캘리브레이터 및 정교화된 광학 모델링을 통해 백분율 이하의 정확도를 달성할 것이다.