[논문 리뷰] Discovering gravitationally lensed gravitational waves: predicted rates, candidate selection, and localization with the Vera Rubin Observatory

G. P. Smith, Andrew Robertson외 8명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 27.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 버나드 루빈 관측소를 활용하여 렌즈에 의한 영향을 받는 중성자별 융합 사건을 탐지하기 위한 새로운 렌즈 독립적 방법을 제안한다. 고질량 갭 확률 후보자와 킬로노바 대응체를 통해 정위치를 결정한다. 2020년대 중반까지 매년 약 1건의 탐지 가능한 렌즈 효과가 있는 NS-NS 사건이 예측되며, 도착 시간 지연은 1초에서 1년 사이로 예측된다. 또한, 연간 관측 시간의 약 0.25%만으로도 목표 지정된 관측을 통해 렌즈 효과가 있는 킬로노바 대응체를 탐지할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Secure confirmation that a gravitational wave (GW) has been gravitationally lensed would bring together these two pillars of General Relativity for the first time. This breakthrough is challenging for many reasons, including: GW sky localization uncertainties dwarf the angular scale of gravitational lensing, the mass and structure of gravitational lenses is diverse, the mass function of stellar remnant compact objects is not yet well constrained, and GW detectors do not operate continuously. We introduce a new approach that is agnostic to the mass and structure of the lenses, compare the efficiency of different methods for lensed GW discovery, and explore detection of lensed kilonova counterparts as a direct method for localising candidates. Our main conclusions are: (1) lensed neutron star mergers (NS-NS) are magnified into the "mass gap" between NS and black holes, therefore selecting candidates from public GW alerts with high mass gap probability is efficient, (2) the rate of detectable lensed NS-NS will approach one per year in the mid-2020s, (3) the arrival time difference between lensed NS-NS images is $1\, m sec\lesssimΔt\lesssim1\,year$, and thus well-matched to the operations of GW detectors and optical telescopes, (4) lensed kilonova counterparts are faint at peak (e.g.\ $r_{ m AB}\simeq24-26$ in the mid-2020s), fade quickly ($d<2\, m days$), and are detectable with target of opportunity observations with large wide-field telescopes. For example, just $\lesssim0.25$ per cent of Vera C.\ Rubin Observatory's observing time will be sufficient to follow up one well-localized candidate per year. Our predictions also provide a physically well-defined basis for exploring electromagnetically the exciting new "mass gap" discovery space.

연구 동기 및 목표

• 렌즈 질량과 구조에 대한 사전 가정 없이 중력 렌즈 효과가 있는 중력파 사건을 식별하는 데 목적이 있다.
• 중성자별과 블랙홀 사이의 '질량 갭'에 위치할 가능성이 높은 중력파 경고를 중심으로 후보자 선별을 향상시키는 데 목적이 있다.
• 렌즈 효과가 있는 킬로노바 대응체의 전자기 후속 관측을 통해 렌즈 효과가 있는 중력파 후보자의 정위치를 가능하게 하는 데 목적이 있다.
• 버나드 루빈 관측소를 활용하여 목표 시기 관측 전략을 통해 렌즈 효과가 있는 킬로노바 대응체를 탐지할 수 있는지 가능성 평가하는 데 목적이 있다.
• 현재 세대 중력파 탐지기의 가동 주기와 일치하는 바탕으로 렌즈 효과가 있는 NS-NS 융합 사건의 예상 탐지 빈도와 시간 지연을 정량화하는 데 목적이 있다.

제안 방법

• 저자들은 니콜 등(2021)의 킬로노바 광선 곡선 시뮬레이션과 렌즈 효과 모델을 결합하여, 렌즈 효과가 있는 킬로노바 대응체의 밝기와 변화를 예측한다.
• 고질량 갭(1.5–3 M☉)에 속할 가능성이 높은 중력파 경고를 선별함으로써 렌즈 효과가 있는 NS-NS 융합 사건을 후보로 식별한다.
• 이 방법은 렌즈 효과로 인해 NS-NS 융합 사건이 질량 갭 영역으로 확대되어 일반적인 NS-NS 또는 BH-BH 융합 사건과 구별 가능하다고 가정한다.
• 50 deg² 정위치 영역에서 3개의 에포크에 걸쳐 깊은 r-대역 관측을 통해 킬로노바 탐지에 필요한 관측 시간을 추정한다.
• 렌즈 효과 이미지 간 시간 지연은 1초에서 1년 사이로 모델링되며, 중력파 탐지기의 가동 주기와 전자기 후속 관측 창과 잘 맞는다.
• 심도 있는 관측을 통해 매우 흐린, 빠르게 흐려지는 킬로노바(피크 r_AB ≈ 24–26)도 루빈 관측소의 광시야 능력을 활용한 목표 지정 관측으로 탐지 가능함을 입증함으로써 이 방법의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 세대 중력파 탐지기로 렌즈 효과가 있는 중성자별 융합 사건을 얼마나 자주 탐지할 수 있을까?
• RQ2 렌즈 질량이나 구조에 대한 사전 가정 없이 렌즈 효과가 있는 중력파 후보자를 효율적으로 선별하는 방법은 무엇인가?
• RQ3 버나드 루빈 관측소로 렌즈 효과가 있는 킬로노바 대응체를 탐지할 수 있으며, 이를 위해 어떤 관측 전략이 필요한가?
• RQ4 렌즈 효과가 있는 NS-NS 융합 사건의 여러 이미지 간 시간 지연 범위는 무엇이며, 이는 관측 운영과 얼마나 잘 맞는가?
• RQ5 고적색도의 킬로노바의 고정프레임 UV 광선 곡선은 렌즈 효과 대응체 후속 관측을 통해 중력파 탐지와 동시에 측정할 수 있는가?

주요 결과

• 2020년대 중반까지 탐지 가능한 렌즈 효과가 있는 NS-NS 융합 사건의 빈도는 약 매년 1건에 이를 것으로 예측된다.
• 렌즈 효과가 있는 NS-NS 융합 사건는 '질량 갭'(1.5–3 M☉) 영역으로 확대되어 중력파 경고에서 높은 질량 갭 확률을 통해 식별 가능하다.
• 렌즈 효과가 있는 NS-NS 융합 사건의 여러 이미지 간 시간 지연 범위는 1초에서 1년 사이로 예측되며, 중력파 탐지기의 가동 주기와 전자기 후속 관측 창과 잘 맞는다.
• 렌즈 효과가 있는 킬로노바 대응체는 r_AB ≈ 24–26에 피크에 도달하고 2일 이내에 흐려지지만, 버나드 루빈 관측소를 활용한 깊고 목표 지정된 관측으로 탐지 가능하다.
• 정위치가 잘 된 렌즈 효과가 있는 NS-NS 후보자 한 건을 후속 관측하기 위해 50 deg² 영역에서 r-대역으로 3개의 에포크를 관측하는 데 약 0.25%의 연간 관측 시간만으로도 충분하다.
• 가장 강하게 확대된 렌즈 효과가 있는 킬로노바는 넓은 VR-대역 필터를 사용한 소형 망원경으로도 탐지 가능할 수 있다.