[论文解读] An interference-based method for the detection of strongly lensed gravitational waves

Xikai Shan, Bin Hu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种新颖的多信使方法，通过利用引力波波形中微时滞引起的干涉条纹来探测强引力透镜引力波（SLGWs）。采用无模板和有模板的波形重建方法，通过波形失配识别SLGW候选体，再通过引力波与星系-星系强透镜（GGSL）数据之间一致的时间延迟确认宿主星系；借助CSST和JWST，约3年内可识别一个四像SLGW系统。

ABSTRACT

The strongly lensed gravitational wave (SLGW) is a promising transient phenomenon. However, the long-wave nature of gravitational waves poses a significant challenge in identification of its host galaxy. To tackle this challenge, we propose a method triggered by the wave optics effect of microlensing. The microlensing interference introduce frequency-dependent fluctuations in the waveform. Our method consists of three steps. First, we reconstruct the waveforms by using the template-independent and template-dependent methods. The mismatch of two reconstructions serves as an indicator of SLGWs. This step can identify approximately $10\%$ SLGWs. Second, we pair the SLGWs' multiple-images by employing the sky localization overlapping. Because we have pre-identified at least one image through microlensing, the false alarm probability for pairing SLGWs is significantly reduced. Third, we search the host galaxy by requiring the consistency of time-delays between galaxy-galaxy lensing and SLGW. By combing the stage-IV galaxy survey and the third-generation gravitational wave detectors, we expect to find, on average, 1 quadruple-image system per 3 years. The merit of this method can significantly facilitate the pursuit of time-delay cosmography, discovery of compact objects and multi-messenger astronomy.

研究动机与目标

• 为解决由于强引力透镜引力波波长较长、天区定位较差而难以识别宿主星系的挑战。
• 在现有参数重叠和机器学习方法之外，降低SLGW探测的误报率。
• 开发一种无模板、基于波动光学的方法，利用微时滞衍射条纹作为SLGW探测的决定性证据。
• 通过交叉比对SLGW与星系-星系强透镜（GGSL）观测的时间延迟，实现宿主星系识别。
• 展示利用CSST和JWST在约3年内探测到一个四像SLGW系统的可行性。

提出的方法

• 使用无模板和有模板两种方法重建引力波波形，计算失配度，将其作为强透镜效应的指示器。
• 将两种重建结果之间的失配度作为主要判别指标，识别约10%的SLGW事件。
• 对SLGW候选体与GGSL图像对进行天区定位重叠，以增强信号一致性。
• 利用相对时间延迟比值（Δt₁₂/Δt₁₃ 和 Δt₁₂/Δt₁₄）作为SLGW与GGSL测量之间的判别器，执行时间延迟一致性检验。
• 定义基于概率的判别器 P_dis = P_GGSL(Δt₁₂/Δt₁₃)|_SLGW × P_GGSL(Δt₁₂/Δt₁₄)|_SLGW，量化SLGW与GGSL时间延迟之间的一致性。
• 利用CSST和JWST观测宿主星系，通过光度一致性验证已识别的SLGW-宿主星系关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将引力波波形中由微时滞引起的干涉条纹作为无模型依赖的决定性证据，用于探测强引力透镜引力波？
• RQ2 无模板与有模板重建之间的波形失配度在识别SLGW候选体方面效果如何？
• RQ3 SLGW与星系-星系强透镜（GGSL）数据之间的时间延迟一致性在多大程度上可提升宿主星系识别能力？
• RQ4 在为期3年的观测期内，利用CSST和JWST预计可探测到多少个四像SLGW系统？
• RQ5 CSST和JWST的多波段测光如何提升SLGW候选体宿主星系识别的准确性？

主要发现

• 该方法通过无模板与有模板重建之间的波形失配度，识别出约10%的强引力透镜引力波事件。
• 借助CSST和JWST，约3年观测期内可识别一个四像SLGW系统。
• 事件ID-35有80%的概率可探测到宿主星系，是后续分析的优先候选体。
• 相对时间延迟比值判别器（Δt₁₂/Δt₁₃ 和 Δt₁₂/Δt₁₄）有效降低了宇宙学参数依赖性，提升了信号一致性。
• 通过要求SLGW时间延迟与GGSL时间延迟测量结果一致，该方法在宿主星系识别上实现了高置信度。
• 宿主星系星等的概率分布显示，CSST可探测到约80%已识别SLGW的宿主星系，而JWST在F200W波段提供更深的灵敏度。