[논문 리뷰] LIGO-Virgo events localization as a test of gravitational wave polarization state

Liudmila Fesik, Baryshev, Yu. V.외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 11.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LIGO-Virgo 검출기 네트워크에서의 하늘 위치 추적을 이용하여 중력파의 편광 상태를 결정하는 새로운 방법을 제안한다. 이 방법은 검출기 간 시간 지연과 변형률 비율을 활용한다. GW150914, GW151226, LVT151012의 경우, 허용된 소스 위치에 대한 명백한 원이 국지 초은하단 평면에 평행한 것으로 밝혀졌으며, 이는 이러한 사건들이 이 거대 구조와 관련이 있을 수 있음을 시사한다. 반면 GW170104의 명백한 원은 수직이지만, 그 광학적 대응체인 ATLAS17aeu가 국지 초은하단 평면에 위치함에 따라 여전히 이 평면과 일치한다.

ABSTRACT

The detection of the gravitational wave events GW150914, GW151226, LVT 151012 and GW170104 by the Advanced LIGO antennas has opened a new possibility for the study of fundamental physics of gravitational interaction. We suggest a new method for determining the polarization state of a gravitational wave, which is independent of the nature of a GW source. For this, we calculate the allowed sky positions of GW sources along apparent circles. This is done for each polarization state by considering the sensitivity pattern of each antenna and relative amplitudes of detected signals. The positions of circles are calculated with respect to the line joining both LIGO antennas using the observed arrival time delay of the signal between them. The apparent circles (AC) on the sky for allowed positions of the GW sources for the GW150914, GW151226 and LVT151012 events are parallel to the plane of the disc-like large scale structure known as the Local Super-Cluster (LSC) of galaxies which extends up to radius $\sim 100$ Mpc and having thickness $\sim 30$ Mpc. For the GW170104 event, the AC is perpendicular to the LSC plane but the predicted position of the source may also belong to the LSC plane, which is consistent with detection of possible optical counterpart ATLAS17aeu. The next aLIGO-aVirgo observing runs are proposed to test the possibility of clustering the GW sources along the LSC plane.

연구 동기 및 목표

• 간섭계 검출기 네트워크를 이용해 소스의 천체물리적 성격에 의존하지 않고 중력파 편광 상태를 결정하는 독립적인 방법을 개발하기 위해.
• 관측된 중력파 사건들이 텐서 또는 스칼라 편광 모드와 일치하는지 테스트하기 위해.
• 검출된 중력파 소스의 공간 분포가 국지 초은하단과 같은 거대 구조와 상관이 있는지 조사하기 위해.
• 변형률 비율과 검출기 간 시간 지연을 이용해 텐서와 스칼라 편광 상태를 구별할 수 있는 프레임워크를 제공하기 위해.
• 향후 관측 런에서 초은하단 평면을 따라 중력파 소스의 군집화를 테스트하도록 안내하기 위해.

제안 방법

• 각 가정된 편광 상태에 대해 검출기 감도 패턴과 상대 신호 진폭을 기반으로 하늘에 대한 허용된 소스 위치에 대한 명백한 원(AC)을 계산한다.
• LIGO-Livingston와 LIGO-Hanford 사이의 신호 간 시간 지연을 이용하여 소스 방향을 이들 사이의 기준선에 대해 제약한다.
• 각 편광 상태(플러스, 크로스, 스칼라 종방향, 스칼라 횡방향)에 대해 이론적 변형률 비율을 계산하고, 검출기에서 관측된 변형률 비율과 비교한다.
• 검출기 응답을 모델링하기 위해 G-요구식을 적용하고, 검출기 쌍에서의 G-요구식 비율을 사용하여 다양한 편광 모드에 대한 변형률 비율을 예측한다.
• 이론적 AC는 초은하좌표계에서 계산되고 실제 사건의 위치 추적과 비교되어 편광을 추론한다.
• 메타적 소스를 초은하단 평면 내외에 시뮬레이션하여, 이 방법이 편광 상태를 구별하는 능력을 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소스의 천체물리적 성격에 관계없이, 단지 검출기 응답과 시간 지연 정보만을 사용하여 중력파의 편광 상태를 결정할 수 있는가?
• RQ2 LIGO-Virgo 사건들의 관측된 하늘 위치 추적 결과가 국지 초은하단 평면과 일치하는가? 이는 물리적 연관성을 시사하는가?
• RQ3 이중 팔 간섭계 네트워크가 변형률 비율과 비추정 패턴 분석을 통해 텐서와 스칼라 편광 모드를 구별할 수 있는가?
• RQ4 중력파 사건의 허용된 소스 위치에 대한 명백한 원이 편광 상태에 민감한가? 그리고 이는 대체 중력 이론을 시험하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ5 GW170104의 광학적 대응체(ATLAS17aeu) 존재가 이 사건이 국지 초은하단 평면 내부에 위치해 있다는 가정을 지지하는가?

주요 결과

• GW150914, GW151226, LVT151012의 경우, 허용된 소스 위치에 대한 명백한 원이 국지 초은하단의 초은하단 평면에 평행한 것으로 나타나, 이 거대 구조와의 가능성을 시사한다.
• GW170104의 경우, 명백한 원은 초은하단 평면에 수직이지만, 예측된 소스 위치는 여전히 평면에서 ±30° 이내에 위치해 있으며, 이는 광학적 대응체 ATLAS17aeu가 국지 초은하단 내부에 위치해 있음을 일치시킨다.
• 이 방법은 이중 팔 간섭계를 이용해 텐서와 스칼라 편광 모드를 성공적으로 구별할 수 있지만, 일중 팔 검출기가 없으면 스칼라 종방향 및 횡방향 모드를 구별할 수 없다.
• 가짜 소스를 이용한 시뮬레이션은, 소스가 초은하단 평면 내외에 위치할 경우 변형률 비율과 AC 기하학적 특성에 기반해 편광 상태를 구별할 수 있음을 확인한다.
• 중력파 사건들이 초은하단 평면을 따라 군집된 것은 우연의 일치로 보이지 않으며, 특히 사건들이 매우 먼 거리(~400–1000 Mpc)에 위치해 있음에 비추어 볼 때 더욱 그렇다.
• 결과는 향후 aLIGO-aVirgo 관측 런에서 초은하단 평면을 따라 중력파 소스의 군집화를 테스트할 것을 제안하며, 이는 편광에 의존하는 위치 추적을 더욱 검증하는 데 기여할 것이다.