[논문 리뷰] Prospects for Localization of Gravitational Wave Transients by the Advanced LIGO and Advanced Virgo Observatories

J. Aasi, J. Abadie외 96명|arXiv (Cornell University)|2013. 04. 02.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 43

한 줄 요약

이 논문은 향후 10년간 고급 LIGO와 고급 바이로 네트워크를 통해 중성자별 쌍성의 붕괴 전파를 국지화할 가능성에 대해 평가한다. 세 개 이상의 감도가 유사하고 광대역 대역폭을 갖춘 검출기, 특히 인도에 위치할 수 있는 고급 LIGO 현장이 있으면 신호를 몇 평방도 이내로 국지화할 수 있으며, 이는 다중메세저 천문학에서의 효율적인 후속 관측을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We present a possible observing scenario for the Advanced LIGO and Advanced Virgo gravitational wave detectors over the next decade, with the intention of providing information to the astronomy community to facilitate planning for multi-messenger astronomy with gravitational waves. We determine the expected sensitivity of the network to transient gravitational-wave signals, and study the capability of the network to determine the sky location of the source. For concreteness, we focus primarily on gravitational-wave signals from the inspiral of binary neutron star (BNS) systems, as the source considered likely to be the most common for detection and also promising for multimessenger astronomy. We find that confident detections will likely require at least 2 detectors operating with BNS sensitive ranges of at least 100 Mpc, while ranges approaching 200 Mpc should give at least ~1 BNS detection per year even under pessimistic predictions of signal rates. The ability to localize the source of the detected signals depends on the geographical distribution of the detectors and their relative sensitivity, and can be as large as thousands of square degrees with only 2 sensitive detectors operating. Determining the sky position of a significant fraction of detected signals to areas of 5 sq deg to 20 sq deg will require at least 3 detectors of sensitivity within a factor of ~2 of each other and with a broad frequency bandwidth. Should one of the LIGO detectors be relocated in India as expected, many gravitational-wave signals will be localized to a few square degrees by gravitational-wave observations alone.

연구 동기 및 목표

• 향후 10년간 고급 LIGO와 고급 바이로의 관측 시나리오를 현실적으로 제시하여 다중메세저 천문학을 지원한다.
• 특히 이중 중성자별(BNS) 시스템으로부터 오는 전순간 중력파 신호에 대한 네트워크 감도를 정량화한다.
• 검출기 네트워크가 중력파 소스의 하늘 위치를 점차 정밀하게 국지화할 수 있는 능력을 평가한다.
• 신뢰할 수 있는 BNS 탐지와 효과적인 국지화를 위해 필요한 최소한의 검출기 구성과 감도를 규명한다.

제안 방법

• 이중 중성자별(BNS) 붕괴에 대한 고급 LIGO와 고급 바이로 네트워크의 예상 감도를 모델링한다.
• 모의 신호 주입을 통해 검출기 기하학적 배열과 상대 감도가 하늘 국지화 정확도에 미치는 영향을 분석한다.
• 이중 및 삼중 검출기 구성과 같은 다양한 네트워크 구성에서의 국지화 성능을 평가한다.
• 인도에 위치한 LIGO 검출기의 잠재적 영향을 분석하여 네트워크 기준선 분포를 향상시켜 국지화 성능을 향상시키는지 평가한다.
• 국지화 영역의 입체각을 기반으로 한 지표를 사용하여 국지화 성능을 정량화한다.
• 낙관적 및 비관적인 BNS 신호 발생률 가정 조건에서의 국지화 성능을 비교하여 탐지 및 국지화 임계치를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중 검출기로 신뢰할 수 있는 중력파 탐지를 가능하게 하기 위해 BNS 감도 범위가 어느 정도여야 하는가?
• RQ2 검출기의 수와 구성이 중력파 전순간의 하늘 국지화 정확도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 최소한 50퍼센트의 신호를 5~20 평방도 이내로 국지화하기 위해 필요한 감도와 지리적 분포는 무엇인가?
• RQ4 인도에 LIGO 검출기를 추가하면 중력파 신호의 국지화가 어떻게 향상되는가?
• RQ5 보수적인 신호 발생률 추정치 하에 연간 예상 중성자별 쌍성 신호 탐지 수는 얼마인가?

주요 결과

• 신뢰할 수 있는 이중 중성자별(BNS) 신호 탐지는 최소 두 대의 검출기가 BNS 감도 범위 100 Mpc 이상에서 작동해야 가능하다.
• BNS 감도 범위가 약 200 Mpc에 가까워지면, 비관적인 신호 발생률 예측 조건에서도 네트워크가 매년 최소 한 건의 BNS 탐지를 달성할 수 있다.
• 감도가 높은 검출기가 두 대 뿐이면 하늘 국지화 범위가 수천 평방도에 이르며, 이는 후속 관측의 효율성을 제한한다.
• 신호의 상당 부분을 5~20 평방도 이내로 국지화하려면, 서로 감도가 약 2배 이내이면서 광대역 주파수 대역폭을 갖춘 최소 세 대의 검출기가 필요하다.
• 한 대의 LIGO 검출기를 인도로 이전하면, 중력파 데이터만으로도 많은 중력파 신호를 몇 평방도 이내로 국지화할 수 있다.
• 검출기 간 기준선 다양성 증가와 검출기 간 감도 균형 향상으로 인해 소스 국지화 능력이 크게 향상된다.