[논문 리뷰] Waveform Modelling for the Laser Interferometer Space Antenna

LISA Consortium Waveform Working Group, Niayesh Afshordi외 144명|INFM-OAR (INFN Catania)|2023. 11. 02.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 1,962인용 수 19

한 줄 요약

이 백서은 LISA 소스에 대한 현재 파형 모델 상태를 검토하고, 향후 데이터 분석의 정확성, 효율성 및 인터페이스 요구사항을 달성하기 위한 주요 도전과제를 개략합니다.

ABSTRACT

LISA, the Laser Interferometer Space Antenna, will usher in a new era in gravitational-wave astronomy. As the first anticipated space-based gravitational-wave detector, it will expand our view to the millihertz gravitational-wave sky, where a spectacular variety of interesting new sources abound: from millions of ultra-compact binaries in our Galaxy, to mergers of massive black holes at cosmological distances; from the beginnings of inspirals that will venture into the ground-based detectors' view to the death spiral of compact objects into massive black holes, and many sources in between. Central to realising LISA's discovery potential are waveform models, the theoretical and phenomenological predictions of the pattern of gravitational waves that these sources emit. This white paper is presented on behalf of the Waveform Working Group for the LISA Consortium. It provides a review of the current state of waveform models for LISA sources, and describes the significant challenges that must yet be overcome.

연구 동기 및 목표

• LISA 시대에 필요한 파형 모델의 과학적 요구성과 데이터 분석 주도 필요를 정의한다.
• 예상되는 LISA 소스와 그 매개변수 범위를 목록화하여 모델 요구사항을 안내한다.
• LISA 데이터 분석에서의 파형 모델의 정확도, 효율성 및 인터페이스 요구사항을 식별한다.
• 현재의 모델링 접근법과 유효 영역을 요약하여 향후 개발에 정보를 제공한다.
• GR 초과 및 이색 소스를 포함한 파형 모형화의 도전과제와 로드맵을 강조한다.

제안 방법

• LISA 소스의 현황과 파라미터 공간을 조사하여 모델링 목표를 설정한다.
• 네 가지 주요 기본 원리 접근법(NR, PN/PM, GSF, BH 교란 이론)과 그 적용 영역을 검토한다.
• effective-one-body와 phenomenological 모델이 여러 접근법을 통합하여 큰 매개변수 공간을 포괄하는 방법을 논의한다.
• 파형 정확도, 효율성 및 데이터 형식에 대한 데이터-분석 주도 요구사항을 개요한다.
• 빠른 파형 생성을 위한 가속 기술과 하드웨어 고려사항을 설명한다.
• GR 초과, 표준모델 초과 및 우주 문자열 소스에 대한 모형화를 다룬다.

Figure 1: A sketch of the natural domains of applicability of the four main approaches to solving the relativistic two-body problem. The approaches are largely complementary and building waveforms for LISA will require input from all four. The solid lines shown are illustrative of the reach of each

실험 결과

연구 질문

• RQ1 신뢰성 있는 탐지 및 매개변수 추정을 가능하게 하려면 LISA 소스 클래스(MBHBs, EMRIs, IMRIs, GBs, SOBHBs, CS, beyond GR)에 필요한 파형 모델의 정확도와 커버리지가 무엇인가?
• RQ2 NR, PN/PM, GSF, 및 BH 섭동 이론을 LISA 데이터 분석에 적합한 글로벌 모델(예: EOB, Phenom)로 어떻게 결합할 수 있는가?
• RQ3 실용적인 LISA 파이프라인을 위해 파형 모델이 충족해야 하는 데이터 형식 및 계산 효율성 요구사항은 무엇인가?
• RQ4 LISA에서 beyond-GR 및 이색 소스의 모형화에서 어떤 도전이 발생하며 이를 해결하기 위한 전략은 무엇이 있는가?
• RQ5 대규모 LISA 연구를 위한 신속한 파형 생성을 가능하게 하는 가속 및 계산 전략은 무엇이 실행 가능한가?

주요 결과

• LISA용 파형 모델은 지상 기반 검출기보다 훨씬 더 넓은 소스 클래스와 매개변수 공간을 포괄해야 한다.
• effective-one-body와 phenomenological 접근법은 NR, PN/PM, 및 GSF의 정보를 합성하여 큰 영역을 포괄한다.
• 다양한 소스에 대해 필요한 정확도를 달성하고 계산 효율성 및 상호 운용성을 보장하는 데 상당한 도전이 남아 있다.
• GR 초과 및 이색 소스(예: cosmic strings) 모형화는 여러 모델 프레임워크에 걸친 전용 확장을 필요로 한다.
• 가속 기술과 하드웨어 고려사항은 LISA 규모의 데이터 분석을 위한 빠른 파형 생성을 가능하게 하는 데 필수적이다.

Figure 2: Region of applicability of different approximation techniques for non-spinning quasi-circular binary BH inspiral. The 1PA region is a prediction derived from fitting NR data to an expansion of the form ( 14 ). The shaded regions indicate ranges within which the cumulative orbital phase-err