[論文レビュー] Designing a template bank to observe compact binary coalescences in Advanced LIGO's second observing run

T. Dal Canton, I. W. Harry|arXiv (Cornell University)|May 4, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 46

ひとこと要約

本論文は、アドバンスド・リゴの2回目の観測期間（O2）において、中性子星と数100太陽質量までの高質量ブラックホール系を統合的に検出するための新規で統一的なテンプレートバンクを提示する。可変な開始周波数と最小波形持続時間の導入により、感度と計算効率を最適化し、広い質量範囲にわたり一括して高感度な検出を可能にし、高質量連星ブラックホールのカバー範囲を向上させる。

ABSTRACT

We describe the methodology and novel techniques used to construct a set of waveforms, or template bank, applicable to searches for compact binary coalescences in Advanced LIGO's second observing run. This template bank is suitable for observing systems composed of two neutron stars, two black holes, or a neutron star and a black hole. The Post-Newtonian formulation is used to model waveforms with total mass less than 4 $M_{\odot}$ and the most recent effective-one-body model, calibrated to numerical relativity to include the merger and ringdown, is used for total masses greater than 4 $M_{\odot}$. The effects of spin precession, matter, orbital eccentricity and radiation modes beyond the quadrupole are neglected. In contrast to the template bank used to search for compact binary mergers in Advanced LIGO's first observing run, here we are including binary-black-hole systems with total mass up to several hundreds of solar masses, thereby improving the ability to observe such systems. We introduce a technique to vary the starting frequency of waveform filters so that our bank can simultaneously contain binary-neutron-star and high-mass binary-black hole waveforms. We also introduce a lower-bound on the filter waveform length, to exclude very short-duration, high-mass templates whose sensitivity is strongly reduced by the characteristics and performance of the interferometers.

研究の動機と目的

• アドバンスド・リゴのO2観測期間において、低質量（中性子星）および高質量（ブラックホール）連星合体を網羅的にカバーする、単一で包括的なテンプレートバンクの設計。
• 低質量および高質量連星の別々の検出手法に起因する制限を克服し、パラメータ空間を統合して一貫した検出を実現すること。
• 可変テンプレートの開始周波数と最小波形持続時間の閾値を導入することで、感度と計算効率を向上させること。
• 離散的テンプレート間隔に起因する感度の損失を最小限に抑えながら、全質量範囲にわたって高い感度を維持すること。

提案手法

• 全質量が4 M⊙未満の場合はPost-Newtonianモデルを、4 M⊙を超える場合は数値相対論にキャリブレーションされた有効1体（EOB）モデルを用いる。
• 特に中性子星連星と高質量連星ブラックホールの両方のカバーを可能にするために、各テンプレートに可変な開始周波数を適用し、感度を最適化する。
• 検出器特性に起因して感度が著しく低下する非常に短時間の高質量テンプレートを除外するために、波形長の下限を設定する。
• 最小インフィルリングアルゴリズムを用いて質量およびスピンパラメータ空間にグリッドを配置し、テンプレート数を最小限に抑えつつ完全なカバーを確保する。
• ノイズのパワー スペクトル密度をハンフォードおよびリビングストンの検出器の調和平均としてモデル化し、一致フィルタリングの精度を向上させる。
• 注入キャンペーンを通じた検証により、パラメータ空間全体における信号回収効率と感度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アドバンスド・リゴO2において、低質量（中性子星）および高質量（ブラックホール）連星合体を1つのテンプレートバンクですべて効率的かつ感度よくカバーするにはどうすればよいか？
• RQ2 広い質量範囲にわたって感度を最大化するための、波形フィルタの開始周波数の最適な設定戦略は何か？
• RQ3 最小波形持続時間の制約を課すことで、バンクの感度と計算可能性にどのような向上が得られるか？
• RQ4 特に高質量境界付近において、バンクは全質量範囲にわたってどの程度の感度を維持できるか？
• RQ5 スピンのプレセッション、離心率、高次放射モードを無視した場合、バンクの性能と将来的な拡張性にどのような影響が生じるか？

主な発見

• テンプレートバンクは、2 M⊙から数100太陽質量までの全質量範囲をカバーし、連星合体の単一で統一的な検出を可能にする。
• 可変な開始周波数の導入により、1つのバンク内で中性子星連星と高質量連星ブラックホールの両方の効果的なカバーが実現される。
• 0.05秒の最小波形持続時間の制約を課すことで、検出可能性が著しく低い高質量・短時間テンプレートを除外し、感度が顕著に向上する。
• 注入信号に対して高い回収効率を達成しており、質量およびスピンパラメータ空間全体で95％以上の信号が回収された。
• 高質量限界のわずか上回るシステムに対しても感度が維持されることから、バンクの強健性とスケーラビリティが示された。
• 将来の改善には、プレセッシングスピン、離心率、高次放射モードの取り込みが必要であり、これらは現在無視されている。