[논문 리뷰] Detectability of hyperbolic encounters of compact stars with ground-based gravitational waves detectors

Sajal Mukherjee, S. Mitra외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 05.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 4인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 지상의 간섭계를 이용해 밀도가 높은 별 집합체 내에서의 밀도가 높은 별들(블랙홀 및 중성자별 포함) 간의 타원형 경로를 따르는 만남에서 발생하는 중력파 탐지 가능성에 대해 연구한다. 보수적인 천체물리학적 파ameters와 국소적 별 집합체 역학을 바탕으로, 이러한 사건들은 현재 및 차세대 탐지기에서 관측 가능할 수 있으며, 이는 이중 병합 관측 외의 고립된 밀도가 높은 천체의 수를 추정하는 길을 열어준다.

ABSTRACT

Gravitational wave (GW) astronomy promises to observe different kinds of astrophysical sources. Here we explore the possibility of detection of GWs from hyperbolic interactions of compact stars with ground-based interferometric detectors and estimate detection rates for such events. It is believed that a closed cluster, such as a globular cluster, can be a primary source for these interactions. While a rigorous rate estimation calls for more extensive relativistic studies, here, for a reasonable set of parameters well within the astrophysical realm, and considering local geometry within the cluster for such interactions as well as realistic initial conditions, our conservative estimates show that these events may be detectable by the present (with ongoing upgrades) and next-generation ground-based observatories. Some of the implications pertaining to this formalism are represented along with comparisons with the existing literature. In practice, actual detection rates can significantly surpass the estimated average rates, since the chances of finding outliers in a very large population can be high. Such observations (or, no observation) will provide an estimate of isolated compact stars in the universe, which cannot be directly estimated from the observations of binary mergers, taking us one step closer to address a fundamental question, how many black holes and neutron stars are there in the observable universe.

연구 동기 및 목표

• 지상 간섭계를 이용한 밀도가 높은 별 간의 타원형 만남에서 발생하는 중력파 탐지 가능성 평가
• 특히 구형별집단 내에서 실제 천체물리학적 조건 하에서 이러한 사건의 탐지 빈도 추정
• 이러한 사건의 탐지 또는 비탐지가 고립된 밀도가 높은 별의 수를 추정하는 데 미치는 영향 탐색
• 국소적 별집단 기하학과 초기 조건을 고려한 보수적이지만 현실적인 사건 빈도 프레임워크 제공
• 이중 병합 관측과 관측 가능한 우주 내 고립된 밀도가 높은 별의 전체 인벤토리 사이의 격차 메우기

제안 방법

• 국소적 기하학과 초기 조건을 중시하여, 별집단 환경 내에서 상대론적 역학을 적용해 밀도가 높은 별의 타원형 만남 모델링
• 병합하지 않는 고속 만남에 대해 표준 중력파 방출 이론을 적용하여 신호 강도와 지속 시간 추정
• 관측된 별집단 역학의 범위 내에서 실제 천체물리학적 파ameters(예: 밀도가 높은 별 질량, 만남 속도, 충격 매개변수) 사용
• 현재(예: LIGO A+) 및 차세대 탐지기(예: 아이티, 코스믹 로프스)의 신호 대 잡음비(SNR) 추정을 통해 탐지 가능성 평가
• 기존의 밀도가 높은 별 인구 및 중력파 탐지 빈도에 관한 문헌과 비교하여 연구 결과의 맥락화
• 대규모 별집단 내에서의 인구 외곽선 및 통계적 변동성을 고려한 보수적인 빈도 추정 기법 사용

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지상 간섭계를 통해 현재 및 차세대 탐지기에서 탐지 가능한 수준의 중력파 신호를 밀도가 높은 별 간의 타원형 만남이 생성할 수 있는가?
• RQ2 특히 구형별집단에서 보수적인 천체물리학적 가정 하에 이러한 사건의 예상 탐지 빈도는 얼마인가?
• RQ3 타원형 만남의 신호 특성은 병합 이중성의 것과 어떻게 다를지, 이는 탐지 전략에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 병합하지 않는 밀도가 높은 별 간의 만남이 고립된 블랙홀과 중성자별의 수를 추정하는 데 얼마나 기여할 수 있는가?
• RQ5 인구 수준의 통계와 별집단 역학은 이러한 희귀하고 고속의 사건을 탐지할 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 실제 천체물리학적 조건 하에서 타원형 궤도를 따르는 밀도가 높은 별 간의 만남은 현재 및 차세대 지상 탐지기에서 탐지 가능한 강도의 중력파 신호를 생성할 수 있다.
• 탐지 빈도는 무시할 수 없을 정도로 높으며, 대규모 항성 인구 내에서 통계적 외곽선이 존재함에 따라 평균 추정치를 초월할 가능성이 있다.
• 제시된 이론적 프레임워크는 이중 병합 관측만으로는 접근할 수 없는 고립된 밀도가 높은 별의 수를 추정하는 데 실용적인 기반을 제공한다.
• 타원형 만남에서 유도된 신호 특성은 특히 지속 시간과 주파수 변화 특성에서 병합 이중성과 현저히 다름으로, 맞춤형 탐지 전략이 필요하다.
• 이 연구는 이러한 사건들이 관측 가능한 우주 내 고립된 블랙홀과 중성자별의 전체 인벤토리 조사에 보완적인 길을 제공할 수 있음을 시사한다.
• 기존 문헌과의 비교 결과, 알려진 밀도가 높은 별의 밀도 및 역학과 일관되며, 이는 모델의 물리적 타당성을 강화한다.