[논문 리뷰] Multimessenger Universe with Gravitational Waves from Binaries

B. S. Sathyaprakash, M. Bailes외 10명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 22.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 54인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 제3세대(3G) 중력파 탐지기와 다중 메신저 천문학이 압축 이중성의 병합을 이해하는 데 혁신을 가져올 것임을 제안한다. 이는 정밀한 위치 특정, 은하수 식별, 그리고 다중 대역 전자기적 후속 관측을 가능하게 하여, 특히 거대 블랙홀 씨앗과 중간 질량 블랙홀에 대한 LISA–3G 공동 관측을 통해 우주론적 측정, 뉴클레오신테시스 연구, 일반 상대성 이론의 검증이 가능해진다. 제3세대 네트워크는 연간 최대 990,000개의 이중성 중성자별 병합을 탐지할 수 있으며, 중앙값 위치 오차는 12 deg² 미만이 될 것으로 예측된다.

ABSTRACT

Future GW detector networks and EM observatories will provide a unique opportunity to observe the most luminous events in the Universe involving matter in extreme environs. They will address some of the key questions in physics and astronomy: formation and evolution of compact binaries, sites of formation of heavy elements and the physics of jets.

연구 동기 및 목표

• 압축 이중성 병합을 연구하기 위해 제3세대(3G) 중력파 탐지기 네트워크와 전자기(EM) 관측소의 과학적 잠재력을 평가하는 것.
• 현재의 고급 탐지기들과 비교할 때 3G 네트워크가 제공하는 위치 특정 향상, 은하수 식별, 우주론적 거리 측정 향상 정도를 정량화하는 것.
• LISA(milli-Hz)와 3G 탐지기(audio-band)의 공동 관측이 블랙홀 형성 경로에 대한 제약을 강화하고 일반 상대성 이론을 검증하는 데 어떻게 기여할 수 있는지 탐색하는 것.
• 차세대 천체망원경을 이용해 고적색도(z > 0.5)에서 중성자별-블랙홀 및 이중성 중성자별 병합의 전자기 대응체를 탐지할 수 있는지 가능성 평가하는 것.
• 시각적 대응체가 없는 이중성 블랙홀 병합의 경우 통계적 방법과 EM 후속 관측이 거리 및 적색편이 측정을 어떻게 향상시킬 수 있는지 규명하는 것.

제안 방법

• 이중성 병합의 병합률과 적색편이 분포를 Madau-Dickinson 별 형성 역사와 100 Myr의 e-감쇠 시간 지연 모델을 사용해 시뮬레이션하는 것.
• LIGO-Hanford, LIGO-Livingston, Virgo, KAGRA, 그리고 향후 3G 탐지기(1 Einstein Telescope 및 2 Cosmic Explorers)를 포함한 네트워크 구성으로 탐지율과 위치 정확도를 계산하는 것.
• 특히 전자기 대응체가 없는 이중성 블랙홀 병합의 경우, 은하수 카탈로그를 사용하여 중력파 이벤트를 은하수와 연관시키기 위한 통계적 방법 적용.
• 현재 및 향후 시설(LSST, Euclid, SKA, WFIRST 등)의 노출 한계(AB 등급, 복사 밀도)를 사용하여 전자기 스펙트럼 전역에서 전자기 대응체 탐지 가능성 모델링.
• LISA가 병합 수년 전에 별질량 이중성 블랙홀의 점진적 접근을 탐지하여 지상 기반 탐지기에게 조기 경고를 제공할 수 있도록 시뮬레이션하는 것.
• LISA의 정밀한 이심률 및 하늘 위치 특정과 3G의 스핀 및 복사 거리 측정을 조합하여 딜레마를 해소하고 형성 경로를 제약하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3G 중력파 탐지기 네트워크는 현재 탐지기들과 비교해 이중성 중성자별 및 중성자별-블랙홀 병합의 위치 특정을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 차세대 광학 및 적외선 망원경을 사용해 고적색도(z > 0.5)에서 GW170817 유사 사건의 전자기 후속 관측을 어느 정도 실현할 수 있는가?
• RQ3 중간 질량 블랙홀 씨앗과 거대 이중 시스템에 대한 LISA–3G 공동 관측은 별질량 블랙홀과 초거대 블랙홀 인구 간의 연속성을 해결할 수 있는가?
• RQ4 LISA와 3G 탐지기가 측정한 압축 이중성의 스핀, 이심률, 기울기 등이 어떻게 천체 형성 메커니즘(예: 동적 조립 또는 고립된 이중성 진화)을 제약하는가?
• RQ5 전자기 이벤트와 은하수 카탈로그 간의 통계적 교차 상관이, 특히 전자기 대응체가 없는 경우에도 허블 상수와 같은 우주론적 파rameter를 측정하는 데 어떤 잠재력을 지니는가?

주요 결과

• 3G 네트워크(1ET+2CE)는 연간 약 990,000건의 이중성 중성자별 병합을 탐지할 것으로 예측되며, 중앙값 위치 오차는 12 제곱도 이하이다.
• 12 deg² 이내의 중앙값 위치 정확도를 바탕으로 3G 네트워크는 킬로노바의 아크초 이내 정밀한 전자기 위치 특정이 가능하여 뉴클레오신테시스 및 제트 물리학 연구에 필수적이다.
• 3G 네트워크는 매년 14,000건의 이벤트를 1 제곱도 이내로 위치 특정할 수 있으며, 이는 은하수 식별 및 적색편이 측정 정확도의 급격한 향상에 기여한다.
• LISA는 적색편이 z ≈ 0.3까지 별질량 이중성 블랙홀을 탐지할 것으로 예상되며, 일부 시스템은 병합 수년 전에 주파수 대역을 횡단하여 조기 경고 경고를 제공할 수 있다.
• LISA–3G 공동 관측은 이심률를 Δe < 0.001의 정밀도로 측정할 수 있으며, 기울기와 복사 거리 간의 딜레마를 해소하여 일반 상대성 이론 검증을 강화한다.
• 3G로 탐지된 이중성 블랙홀 이벤트와 은하수 카탈로그 간의 통계적 교차 상관은 평균적으로 하나의 은하수만 기대되는 부피로 소스를 위치 특정할 수 있으며, 이는 약 1%의 불확실성으로 허블 상수 측정이 가능함을 의미한다.