[论文解读] A New Probe of Cosmic Strings at LIGO and Mid-band: Gravitational Lensing Fringe

Sunghoon Jung, TaeHun Kim|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 2

一句话总结

本文提出了一种新方法，通过探测由宇宙弦引力透镜化致密双星并合产生的引力波（GW）条纹信号，来探测宇宙弦。该方法可在LIGO等高频和中频引力波探测器中，实现对张力低至Δ = 10⁻¹⁰的直线宇宙弦的模型无关探测，为光学强透镜化和随机引力波背景搜索提供了互补探测手段。

ABSTRACT

Cosmic strings are important remnants of early-Universe phase transitions. We show that they can be probed by Gravitational Waves (GWs) from compact binary mergers. If such chirping GW passes by a cosmic string, it is gravitationally lensed and left with a characteristic signal of the lensing -- the GW fringe. It is observable naturally through the frequency chirping of GWs. This allows to probe cosmic strings with small tension $\Delta = 8\pi G \mu = 10^{-6} ext{ -- } 10^{-10}$, just below the current constraint, at high-frequency LIGO-band and mid-band detectors. Although its detection rates are estimated to be small, even a single detection can be used to identify a cosmic string. Contrary to the stochastic GW produced from loop decays only in local $U(1)$ models, the GW fringe can directly probe straight strings model independently. This is also complementary to the existing probes with the strong lensing of light.

研究动机与目标

• 开发一种利用透镜化致密双星并合信号产生的引力波条纹信号探测宇宙弦的新方法。
• 实现对当前观测约束以下宇宙弦张力的探测，特别是Δ = 10⁻⁶至10⁻¹⁰的范围。
• 提供一种对直线宇宙弦的模型无关探测，独立于依赖环衰变辐射的局部U(1)模型。
• 补充现有探测手段，如光的强透镜化和随机引力波背景探测。

提出的方法

• 该方法利用宇宙弦对致密双星并合产生的啁啾引力波的引力透镜效应，使引力波信号上产生特征条纹图案。
• 条纹信号源于直接引力波路径与透镜化路径之间的干涉，可通过频率啁啾调制检测。
• 分析利用宇宙弦张力引起的透镜时间延迟和相位移，来建模频域中的条纹图案。
• 该方法应用于高频LIGO和中频探测器，尽管事件率较低，但信噪比足够实现探测。
• 该方法独立于特定场论模型，仅依赖于引力波在透镜作用下的几何与运动学效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用透镜化致密双星并合产生的引力波条纹信号探测低张力的宇宙弦？
• RQ2 宇宙弦透镜化引起的条纹图案与引力波信号中其他透镜效应有何不同？
• RQ3 在LIGO和中频探测器中，利用此条纹方法探测宇宙弦张力的可检测阈值是多少？
• RQ4 与基于环衰变辐射的现有探测方法相比，此方法在何种意义上是模型无关的？

主要发现

• 宇宙弦透镜化引起的引力波条纹信号可通过致密双星并合信号的频率啁啾观测到，从而实现对张力Δ = 10⁻⁶至10⁻¹⁰的宇宙弦探测。
• 即使仅检测到一次此类条纹信号，也能确认宇宙弦的存在，表明该方法尽管探测率低，仍具有高灵敏度。
• 该方法提供了一种对直线宇宙弦的模型无关探测，不同于依赖特定场论假设的随机引力波背景方法。
• 该条纹信号与光的强透镜化不同，可为现有天体物理探测提供互补约束。