[논문 리뷰] What we can learn from multi-band observations of black hole binaries

Curt Cutler, Emanuele Berti외 13명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 10.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 13

한 줄 요약

이 화이트페이퍼는 우주 기반(LISA)과 지상 기반(Einstein Telescope, Cosmic Explorer) 중력파 탐지기의 데이터를 조합함으로써 블랙홀 이진계에 대한 예측 가능한 매개변수 추정과 일반 상대성 이론 검증을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 보여준다. 다밴대 관측을 통해 질량과 거리의 혼동을 제거함으로써 매개변수 정밀도가 최대 6개 지수 정도 향상되고, 하위 임계값이었던 우주 기반 신호를 재분석함으로써 감지 가능한 소스 수가 4–7배 증가한다.

ABSTRACT

The LIGO/Virgo gravitational-wave (GW) interferometers have to-date detected ten merging black hole (BH) binaries, some with masses considerably larger than had been anticipated. Stellar-mass BH binaries at the high end of the observed mass range (with "chirp mass" ${\cal M} \gtrsim 25 M_{\odot}$) should be detectable by a space-based GW observatory years before those binaries become visible to ground-based GW detectors. This white paper discusses some of the synergies that result when the same binaries are observed by instruments in space and on the ground. We consider intermediate-mass black hole binaries (with total mass $M \sim 10^2 -10^4 M_{\odot}$) as well as stellar-mass black hole binaries. We illustrate how combining space-based and ground-based data sets can break degeneracies and thereby improve our understanding of the binary's physical parameters. While early work focused on how space-based observatories can forecast precisely when some mergers will be observed on the ground, the reverse is also important: ground-based detections will allow us to "dig deeper" into archived, space-based data to confidently identify black hole inspirals whose signal-to-noise ratios were originally sub-threshold, increasing the number of binaries observed in both bands by a factor of $\sim 4 - 7$.

연구 동기 및 목표

• 우주 기반과 지상 기반 탐지기에서의 다밴대 중력파 관측이 블랙홀 이진계의 매개변수 추정에 어떻게 향상되는지 조사하기.
• 우주 기반(LISA)과 지상 기반(ET, CE) 탐지기 간의 상호작용이 질량과 거리와 같은 이진 매개변수의 혼동을 얼마나 효과적으로 제거하는지 정량화하기.
• 지상 기반 탐지기의 검출이 이전에 하위 임계값이었던 우주 기반 데이터를 재분석하여 신호를 복원하는 데 어떻게 기여할 수 있는지 탐색하기.
• 다밴대 관측이 일반 상대성 이론에 대한 엄격한 검증, 특히 중간 질량 블랙홀 이진계에 대해 어떤 잠재력을 지니는지 평가하기.
• 다밴대 데이터가 인구 수준의 주파수 분포 분석을 통해 블랙홀 이진계 형성 채널에 대한 통찰을 어떻게 제공하는지 검토하기.

제안 방법

• LISA, ET, CE의 기준 감도 곡선을 사용하여 주파수 대역 전반의 신호 대 잡음비(SNR)를 모델링한다.
• 다밴대 데이터를 통합하기 위해 일관된 베이지안 분석을 적용하여 이진 매개변수의 사후 제약 조건을 향상시킨다.
• 이진 블랙홀의 천칭 신호를 시간 도메인에서 모델링하고 고주파에서 저주파로의 주파수 진화를 추적한다.
• 주파수 대역에서 수십 개의 디아데스에 걸쳐 진화하는 위상이 일반 상대성 이론 검증을 위한 장거리 레버아ーム을 제공함을 분석한다.
• 窄대역 탐지기 구성이 블랙홀 성질의 리드라운드 검증을 향상시키는 영향을 고려한다.
• 미래 임무인 B-Decigo가 0.1–1 Hz 대역으로 다밴대 커버리지 범위를 확장하여 중성자별/중성자별 병합에 대한 조기 경고 기능을 향상시킬 잠재력을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주 기반과 지상 기반 탐지기에서의 다밴대 중력파 관측은 단일 밴드 관측에 비해 블랙홀 이진계의 매개변수 추정에 어떻게 향상되는가?
• RQ2 지상 기반 탐지기의 검출이 기록된 우주 기반 데이터에서 이전에 하위 임계값이었던 신호를 얼마나 회복할 수 있는가?
• RQ3 다밴대 관측이 일반 상대성 이론 검증에 미치는 영향은 무엇인가, 특히 중간 질량 블랙홀 이진계에 대해 어떤가?
• RQ4 중력파 스펙트럼 전반의 인구 수준 주파수 분포가 블랙홀 이진계 형성 메커니즘을 어떻게 제약하는가?
• RQ5 LISA, 차세대 지상 기반 탐지기, 그리고 향후 임무인 B-Decigo의 데이터를 결합했을 때 발생하는 상호작용은 무엇인가?

주요 결과

• LISA와 지상 기반 데이터를 조합하면 이진 매개변수의 2-σ 오차 타원형 면적을 최대 6개 지수 정도 감소시켜 혼동을 크게 제거할 수 있다.
• 지상 기반 탐지기의 검출 덕분에 이전에 하위 임계값이었던 LISA 신호를 식별할 수 있어 관측 가능한 이진계 수가 4–7배 증가한다.
• 총 질량 약 10^3 M☉인 중간 질량 블랙홀 이진계는 양측 모두에서 높은 SNR를 보이므로, 보조 이론의 중력에 대한 가장 강력한 제약 조건을 제공한다.
• GW150914와 같은 항성 질량 이진계의 경우, 기존에 지상 기반에서 높은 SNR를 보였기 때문에 다밴대 데이터로 인한 매개변수 추정 향상은 제한적이지만, 여전히 일반 상대성 이론 검증을 향상시킨다.
• 窄대역 탐지기 구성은 제3세대 탐지기에서 블랙홀의 케르 성질을 검증하는 데 최대 2배까지 향상시킬 수 있다.
• 미래 임무인 B-Decigo는 중성자별 병합에 대한 조기 경고 기능을 제공할 수 있으며, 이는 LISA가 주파수 대역에서 장기적인 유도 시간스케일로 인해 이를 제공하지 못하기 때문이다.