[논문 리뷰] Listening to the Universe with Next Generation Ground-Based Gravitational-Wave Detectors

Ssohrab Borhanian, B. S. Sathyaprakash|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 22.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 24

한 줄 요약

본 논문은 Fisher 분석을 사용하여 BNS 및 BBH 합병에 대한 탐지, 위치추정 및 다중 신호 관측 가능성을 예측하기 위해 A+, Voyager, CE 및 ET와 같은 NG(다음 세대) 지상 기반 GW 검출기 네트워크의 과학적 역량을 평가한다.

ABSTRACT

In this study, we use simple performance metrics to assess the science capabilities of future ground-based gravitational-wave detector networks -- composed of A+ or Voyager upgrades to the LIGO, Virgo, and KAGRA observatories and proposed next generation observatories such as Cosmic Explorer and Einstein Telescope. These metrics refer to coalescences of binary neutron stars (BNSs) and binary black holes (BBHs) and include: (i) network detection efficiency and detection rate of cosmological sources as a function of redshift, (ii) signal-to-noise ratios and the accuracy with which intrinsic and extrinsic parameters would be measured, and (iii) enabling multimessenger astronomy with gravitational waves by accurate 3D localization and early warning alerts. We further discuss the science enabled by the small population of rare and extremely loud events. While imminent upgrades will provide impressive advances in all these metrics, next generation observatories will deliver an improvement of an order-of-magnitude or more in most metrics. In fact, a network containing two or three such facilities will detect half of all the BNS and BBH mergers up to a redshift of $z=1$ and $z=20$, respectively, give access to hundreds of BNSs and ten thousand BBHs with signal-to-noise ratios exceeding 100, readily localize hundreds to thousands of mergers to within $1\,{ m deg^2}$ on the sky and better than 10% in luminosity distance, respectively, and consequently, enable mutlimessenger astronomy through follow-up surveys in the electromagnetic spectrum several times a week. Such networks will further shed light on potential cosmological merger populations and detect an abundance of high-fidelity BNS and BBH signals which will allow investigations of the high-density regime of matter at an unprecedented level and enable precision tests of general relativity in the strong-field regime, respectively.

연구 동기 및 목표

• A+, Voyager, 그리고 차세대 관측소(CE 및 ET)로 구성된 미래 GW 검출기 네트워크의 과학적 역량을 평가한다.
• BNS 및 BBH 합병에 대한 탐지 효율성, SNR, 매개변수 추정 및 3D 위치추정 등 네트워크 성능 지표를 평가한다.
• 조기 경보 알림 및 하늘 위치 추정으로 다중 신호 천문학의 가능성을 정량화한다.
• 희귀하고 강력한 GW 이벤트의 과학적 기회와 GR 검정 및 밀집물질 물리학에 대한 시사점을 탐구한다.

제안 방법

• 지정된 질량, 자들, 방향성을 가진 BNS 및 BBH로 구성된 검출기 네트워크와 소스 모집단을 모델링한다.
• gwbench를 활용한 Fisher-정보 프레임워크를 통해 네트워크 구성에 따른 매개변수 오차와 SNR를 추정한다.
• 식 (2)와 식 (4)의 시그모이드 피트를 이용하여 적색편이에 따른 네트워크 SNR 및 탐지 효율을 계산한다.
• 합병에 대한 3D 위치추정 및 예비 경보를 포함한 하늘 위치추정 및 조기 경보 능력을 시뮬레이션한다.
• Fisher 분석에서 BNS에는 IMRPhenomD_NRTidalv2, BBH에는 IMRPhenomHM 파형 모델링을 채택한다.
• 각 네트워크의 도달 및 수평선 적색편도를 검토하고 적색편깅 구간에 걸친 탐지 비율을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 A+, Voyager 및 NG 검출기 네트워크가 BNS 및 BBH 탐지에서 어떤 성능 향상을 제공하는가?
• RQ2 네트워크 구성이 SNR 분포, 매개변수 추정 정확도 및 하늘 위치추정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다양한 네트워크의 도달 및 수평선 적색편도는 어떻게 되며, 이것이 비율 및 다중 신호 가능성으로 어떻게 이어지는가?
• RQ4 조기 경보 및 3D 위치추정이 전자기 관측 후속 관측을 가능하게 하는 타당성은 어느 정도인가?
• RQ5 이 네트워크에서 드문 고SNR GW 이벤트로부터 어떤 과학적 기회가 생겨 GR 검정 및 밀집물질 물리학에 어떤 시사점을 주는가?

주요 결과

• 차세대 네트워크(NG)는 현재 업그레이드에 비해 대부분의 지표를 1자리 수 이상 향상시킨다.
• 두 개 또는 세 개의 NG 시설로 구성된 네트워크는 BNS 합병의 경우 z=1까지, BBH 합병의 경우 z=20까지 약 절반의 비율로 탐지할 수 있다.
• NG 네트워크는 수백에서 수천 건의 합병을 1 제곱도(deg^2) 이내로 위치추정하고 많은 이벤트에서 거리 모수를 10% 이내로 측정할 수 있다.
• Voyager 네트워크는 BBH 합병을 z≈10까지, BNS 합병은 z≈0.9까지 도달하며, 많은 이벤트에서 SNR이 100 이상인 경우가 많다.
• NG 네트워크는 빈번한 후속 관측 조사를 통해 다중 신호 천문학을 가능하게 하고, GR의 정밀 검정 및 밀집물질 물리학에 대한 시사점을 제공한다.