[논문 리뷰] Searches for continuous gravitational wave signals and stochastic backgrounds in LIGO and Virgo data

C. Palomba|arXiv (Cornell University)|2012. 01. 16.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 LIGO와 Virgo의 S5 및 VSR2 과학 런에서 연속 중력파(CW) 및 확률적 중력파 배경(SGWB) 탐색 결과를 제시한다. 표적화된 및 전체천구적 CW 탐색과 함께 SGWB에 대한 상관관계 기법을 사용하여, 연구는 $\Omega_{gw}(f) < 6.9 \cdot 10^{-6}$의 엄격한 상한선을 설정하였으며, 이는 초기우주 핵합성과 간섭성 우주복사에서 유도된 간접적 천문학적 경계를 뛰어넘어, 우주 초현실 모델과 초기우주 브라운 운동 시나리오를 상당히 제약하는 바이다.

ABSTRACT

We present results from searches of recent LIGO and Virgo data for continuous gravitational wave signals (CW) from spinning neutron stars and for a stochastic gravitational wave background (SGWB). The first part of the talk is devoted to CW analysis with a focus on two types of searches. In the targeted search of known neutron stars a precise knowledge of the star parameters is used to apply optimal filtering methods. In the absence of a signal detection, in a few cases, an upper limit on strain amplitude can be set that beats the spindown limit derived from attributing spin-down energy loss to the emission of gravitational waves. In contrast, blind all-sky searches are not directed at specific sources, but rather explore as large a portion of the parameter space as possible. Fully coherent methods cannot be used for these kind of searches which pose a non trivial computational challenge. The second part of the talk is focused on SGWB searches. A stochastic background of gravitational waves is expected to be produced by the superposition of many incoherent sources of cosmological or astrophysical origin. Given the random nature of this kind of signal, it is not possible to distinguish it from noise using a single detector. A typical data analysis strategy relies on cross-correlating the data from a pair or several pairs of detectors, which allows discriminating the searched signal from instrumental noise. Expected sensitivities and prospects for detection from the next generation of interferometers are also discussed for both kind of sources.

연구 동기 및 목표

• 회전하는 밀도성 중성자별에서 오는 연속 중력파 신호를 표적화된 방법과 전체천구적 방법을 사용해 탐색하기 위해.
• 우주론적 또는 천체물리학적 비일관된 원천에서 오는 확률적 중력파 배경을 탐지하거나 제약하기 위해.
• 다중 검출기 간 상관관계를 사용하여 중력파 진폭에 대한 민감도 상한선을 향상시키기 위해.
• 중력파 에너지 밀도에 대한 천체물리학적 및 우주론적 의미 있는 상한선을 설정하기 위해.
• 분석 기법을 정교화하고 향후 탐지 가능성 평가를 통해 고급 검출기 준비를 위해.

제안 방법

• 표적화된 CW 탐색은 소스 파aram터(예: 알려진 펄사)에 대한 정밀한 지식을 바탕으로 한 매칭 필터링을 사용하여 장기간에 걸쳐 데이터를 일관적으로 통합한다.
• 전체천구적 블라인드 탐색은 계산적 과제에도 불구하고 큰 매개변수 공간을 탐색하기 위해 준일관성 및 계층적 방법을 사용한다.
• SGWB 분석은 다중 검출기 간 데이터 상관관계를 통해 무작위 신호와 상관 없는 기기 노이즈를 구별한다.
• 상관관계 기법은 검출기 빔 패턴 함수를 사용하며 도플러 조절 및 상대론적 효과를 고려한다.
• 매칭 필터링과 상관 스펙트럼 추정을 사용하여 중력파 에너지 밀도 $\Omega_{gw}(f)$에 대한 상한선을 유도한다.
• 라디오 관측에서의 사전 정보를 통합하고 중성자별의 격자 및 스핀 감소 진화를 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 알려진 회전 중성자별에서 오는 연속 중력파 신호가 LIGO 및 Virgo 데이터에서 탐지될 수 있는가?
• RQ2 스핀 감소 한계 이하의 중성자별에 대해 중력파 변형 진폭에 대해 어떤 상한선을 설정할 수 있는가?
• RQ3 다중 검출기 간 상관관계를 사용하여 확률적 중력파 배경을 검출기 노이즈와 구별할 수 있는가?
• RQ4 현재의 $\Omega_{gw}(f)$ 상한선은 초기우주 핵합성과 간섭성 우주복사에서 유도된 간접적 천문학적 경계와 비교하여 어떻게 되는가?
• RQ5 현재 결과는 초현실 모델과 초기우주 브라운 운동 천문학 이론에 대해 어떤 제약을 가하는가?

주요 결과

• 확률적 중력파 배경에 대해 $\Omega_{gw}(f) < 6.9 \cdot 10^{-6}$의 상한선이 설정되었으며, 이는 간접적 천문학적 경계를 뛰어넘었다.
• 이 상한선은 그림 4에 나타낸 바와 같이 초현실 모델의 $G\mu$-$\epsilon$ 평면 영역을 배제한다.
• SGWB 상한선은 초기우주 핵합성 경계인 $1.5 \cdot 10^{-5}$와 간섭성 우주복사 경계인 $1.1 \cdot 10^{-5}$를 모두 뛰어넘는다.
• 표적화된 CW 탐색에서는 일부 중성자별에 대해 스핀 감소 한계 이하의 변형 진폭 상한선이 설정되어, 중력파 방출에 의한 스핀 감소 에너지 비율을 제약한다.
• H1-H2 데이터에 대한 상관관계 분석은 진행 중이며, 환경적 상관관계를 모델링하여 민감도를 향상시키기 위한 노력이 진행 중이다.
• 고급 검출기는 민감도를 두 계급 정도 향상시킬 것으로 기대되며, 이는 초우주 브라운 운동 및 초현실 모델에 대한 추가 제약를 가능하게 한다.