[논문 리뷰] On the detection and precise localisation of merging black holes events through strong gravitational lensing

Ewoud Wempe, L. V. E. Koopmans외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 19.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 97인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 LIGO-Virgo-KAGRA에서 탐지한 병합 블랙홀 사건을 유레우드 유사 설문에서의 전자기 데이터와 교차 매칭함으로써 강한 중력 렌즈를 사용해 정밀하게 국소화하는 방법을 제안한다. 분석 결과, 4중 렌즈 사건의 21.9–34.6%가 높은 사후 확률로 렌즈 효과가 있음을 정확히 식별 가능하며, 이는 밀리초각 이하의 국소화 성능을 가능하게 한다. 다만, 첫 번째 탐지에는 깊은 후속 관측과 감도 향상이 필요할 가능성이 높다.

ABSTRACT

To unlock the full spectrum of astrophysical and cosmological applications of gravitational-wave detections, it is essential to localise the associated black-hole mergers to high precision inside their host galaxies. One possible method to achieve this is to compare the properties of multiple detections of gravitationally-lensed binary black-hole merger events with the properties of strong gravitational lens systems located in the joint sky localisation of the gravitational-wave detections. In this work, we simulate the population of binary black-hole mergers lensed by galaxy-scale lenses and detectable by LIGO-Virgo-Kagra in the coming decade and the population of galaxy-scale strong lenses that will be detected by Euclid. We use these simulations to investigate the prospects for localising strongly lensed binary black-hole mergers inside the lensed galaxies of 'Euclid-like' galaxy-scale strong lenses. We find that for 20-50% of strongly lensed gravitational wave events the lens system is detectable with Euclid, if the event falls in its survey footprint. Of these, we expect to correctly identify the strongly-lensed host galaxy as likely (with posterior probability) host galaxy - based on Bayesian evidence ranking of candidate hosts - for 34.6-21.9% of quadruply-lensed gravitational-wave events when given an a-priori 1-5 deg^2 gravitational-wave-only sky localisation. For triply and doubly lensed gravitational-wave events, this becomes 29.8-14.9% and 16.4-6.6% respectively. If successfully identified, however, the localisation can be better than a fraction of the host-galaxy size, i.e. of order milli-arcseconds. A first detection in the coming decade, however, probably requires dedicated deep and high-resolution follow-ups and continued upgrades in the current and planned gravitational-wave detectors.

연구 동기 및 목표

• 강한 중력 렌즈에 의해 렌즈 효과를 받는 이중 블랙홀 병합 사건을 LIGO-Virgo-KAGRA의 다중메시지 데이터와 유럽우주국 유레우드 유사 설문의 전자기 데이터를 조합해 정밀하게 국소화할 수 있는지 탐구하는 것.
• 미래의 설문(예: 유레우드)을 통해 중력파 사건의 렌즈 성간 은하를 탐지할 확률을 평가하는 것.
• 베이지안 증거 순위 기반으로 렌즈 중력파 사건의 실제 주변 은하 식별 정확도를 정량화하는 것.
• 국소화 불확실성의 영향을 고려해 렌즈 주변 은하 식별 성공률을 평가하는 것.
• 전자기 데이터를 활용해 강한 중력 렌즈 탐지 결과를 독립적으로 검증할 잠재력을 탐색하는 것.

제안 방법

• 다음 10년 내 LIGO-Virgo-KAGRA에서 탐지 가능한 은하 스케일 렌즈에 의해 렌즈 효과를 받는 이중 블랙홀 병합 사건의 집단을 시뮬레이션하는 것.
• 유레우드 유사 설문에서 유도된 강한 렌즈 시스템과 일치하는 합성 렌즈 중력파 신호를 생성하는 것.
• 중력파 천구 국소화 영역 내 후보 주변 은하를 비교하기 위해 베이지안 증거 순위를 사용하는 것.
• 중력파 데이터와 렌즈 모델을 바탕으로 각 후보 렌즈-주변 은하 시스템의 주변 가능도를 추정하기 위해 중요도 샘플링을 적용하는 것.
• 렌즈 및 소스 성질에 대한 천체물리적 사전 확률을 가능도 프레임워크에 통합하여 식별 정확도를 향상시키는 것.
• 다양한 렌즈 구성(4중, 3중, 2중 렌즈 사건)에 대해 방법의 성능을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LIGO-Virgo-KAGRA에서 탐지된 강한 중력 렌즈 효과를 받는 이중 블랙홀 병합 사건 중, 유레우드로 탐지 가능한 은하 스케일 렌즈 시스템에 의해 렌즈된 비율은 얼마인가?
• RQ2 베이지안 증거 순위를 활용해 후보 주변 은하 중에서 실제로 렌즈 중력파 사건의 주변 은하를 얼마나 정확히 식별할 수 있는가?
• RQ3 다중메시지 데이터를 활용해 렌즈 중력파 사건의 국소화 정밀도는 어느 정도 달성할 수 있는가?
• RQ4 렌즈의 다중성(4중 vs. 3중 vs. 2중 렌즈 사건)에 따라 탐지 효율은 어떻게 달라지는가?
• RQ5 렌즈 중력파 사건에 대한 전자기 후속 관측이 강한 중력 렌즈 효과를 독립적으로 확인함으로써 가짜 양성 결과를 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 20%에서 50% 사이의 강한 중력 렌즈 효과를 받는 중력파 사건이, 그 사건이 유레우드 설문 영역 내에 있을 경우 유레우드로 렌즈 시스템을 탐지할 수 있을 것으로 예측된다.
• 4중 렌즈 사건의 경우, 중력파 천구 국소화 영역이 1–5 deg²일 때, 34.6%에서 21.9%가 고사후 확률로 정확히 렌즈 효과가 있음을 식별할 수 있다.
• 3중 렌즈 사건의 경우 식별 성공률은 29.8%에서 14.9%이며, 2중 렌즈 사건의 경우 16.4%에서 6.6%이다.
• 성공적으로 식별된 경우, 국소화 정밀도는 밀리초각 이하 수준에 도달할 수 있으며, 비렌즈 사건보다 훨씬 뛰어나다.
• 앞서 언급한 10년 내 첫 번째 렌즈 중력파 사건 탐지는 전용의 깊고 고해상도 전자기 후속 관측이 필요할 가능성이 높다.
• 전자기 데이터를 활용해 렌즈 효과 가설을 교차 검증함으로써 강한 중력 렌즈 탐지 결과를 독립적으로 확인할 수 있으며, 천체적 우연 일치로 인한 가짜 양성 결과를 줄일 수 있다.