[논문 리뷰] Designing a template bank to observe compact binary coalescences in Advanced LIGO's second observing run

T. Dal Canton, I. W. Harry|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 04.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 46

한 줄 요약

이 논문은 고급 라이고(O2)의 두 번째 관측 런 동안 중력파 병합을 탐지하기 위한 새로운 통합 템플릿 백을 제안한다. 이는 중성자별과 몇 백 태양질량 이하의 고질량 블랙홀 시스템을 모두 통합하여, 감도와 계산 효율성을 극대화하기 위해 가변 시작 주파수와 최소 웨이브폼 지속시간을 도입한다. 이를 통해 넓은 질량 범위에서 하나의 민감한 검색이 가능해지고, 고질량 이중 블랙홀의 커버리지가 향상된다.

ABSTRACT

We describe the methodology and novel techniques used to construct a set of waveforms, or template bank, applicable to searches for compact binary coalescences in Advanced LIGO's second observing run. This template bank is suitable for observing systems composed of two neutron stars, two black holes, or a neutron star and a black hole. The Post-Newtonian formulation is used to model waveforms with total mass less than 4 $M_{\odot}$ and the most recent effective-one-body model, calibrated to numerical relativity to include the merger and ringdown, is used for total masses greater than 4 $M_{\odot}$. The effects of spin precession, matter, orbital eccentricity and radiation modes beyond the quadrupole are neglected. In contrast to the template bank used to search for compact binary mergers in Advanced LIGO's first observing run, here we are including binary-black-hole systems with total mass up to several hundreds of solar masses, thereby improving the ability to observe such systems. We introduce a technique to vary the starting frequency of waveform filters so that our bank can simultaneously contain binary-neutron-star and high-mass binary-black hole waveforms. We also introduce a lower-bound on the filter waveform length, to exclude very short-duration, high-mass templates whose sensitivity is strongly reduced by the characteristics and performance of the interferometers.

연구 동기 및 목표

• 고급 라이고 O2 런에서 저질량(중성자별)과 고질량(블랙홀) 이중 병합을 모두 커버하는 단일 종합 템플릿 백을 설계하기 위해.
• 저질량 및 고질량 이중 병합을 별도로 검색하는 데서 비롯하는 제약을 극복하기 위해, 두 파rameter 공간을 하나의 유일한 통합 검색으로 통합하기 위해.
• 가변 템플릿 시작 주파수와 최소 웨이브폼 지속시간 임계치를 도입하여 감도와 계산 효율성을 향상시키기 위해.
• 이격된 템플릿 간격으로 인한 손실을 최소화하면서 전체 질량 범위에서 높은 감도를 유지하기 위해.

제안 방법

• 총 질량가 4 M⊙ 미만일 경우 푸아슨-뉴턴 모델을, 4 M⊙ 초과일 경우 수치 상대성 이론에 校정된 효과적-일체체(EOB) 모델을 사용한다.
• 각 템플릿에 대해 가변 시작 주파수를 적용하여, 특히 이중 중성자별과 고질량 이중 블랙홀를 모두 커버할 수 있도록 감도를 최적화한다.
• 감도가 검출기 특성으로 인해 떨어지는 매우 짧은 지속시간, 고질량 템플릿을 제거하기 위해 웨이브폼 길이에 하한선을 설정한다.
• 최소한의 메쉬 충진 알고리즘을 사용하여 질량 및 스핀 매개변수 공간에 그리드를 배치함으로써, 최소한의 템플릿 수로 전체 커버리지가 보장되도록 한다.
• 노이즈 전력 스펙트럼 밀도는 허프먼드와 리빙스턴 검출기의 조화 평균으로 모델링하여 매치드 필터링 정확도를 향상시킨다.
• 은폐 캠프이건을 통해 파arameter 공간 전반에서의 복구 효율성과 감도를 평가함으로써 템플릿 백을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고급 라이고 O2에서 저질량(중성자별)과 고질량(블랙홀) 이중 병합을 동시에 효율적이고 민감하게 커버할 수 있는 단일 템플릿 백은 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 넓은 질량 범위에서 감도를 극대화하기 위해 웨이브폼 필터의 시작 주파수를 최적화하는 전략은 무엇인가?
• RQ3 최소 웨이브폼 지속시간을 도입함으로써 감도와 계산 가능성은 어떻게 향상되는가?
• RQ4 특히 고질량 경계 근처에서 전체 질량 범위에 걸쳐 감도가 얼마나 유지되는가?
• RQ5 스핀 프리세션, 이심률, 고차원 복사 모드를 忽略할 경우 템플릿 백의 성능과 향후 확장 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 템플릿 백은 총 질량 2 M⊙에서 수백 태양질량까지 커버하여, 압축 이중 병합에 대한 단일 통합 검색을 가능하게 했다.
• 가변 시작 주파수의 사용은 하나의 백 내에서 이중 중성자별과 고질량 이중 블랙홀를 효과적으로 커버할 수 있도록 했다.
• 0.05초의 최소 웨이브폼 지속시간을 도입함으로써, 감도가 떨어지는 고질량·단기 템플릿을 제거하여 감도가 크게 향상되었다.
• 은폐된 신호에 대해 높은 복구 효율성을 달성하였으며, 질량 및 스핀 매개변수 공간 전반에서 95% 이상의 신호가 복구되었다.
• 고질량 한계를 약간 넘는 시스템까지도 감도를 유지함으로써, 백의 강건성과 확장 가능성을 입증하였다.
• 향후 전진 방향으로는 프리세션 스핀, 이심률, 고차원 복사 모드를 포함시켜야 하며, 현재는 이를 무시하고 있다.