[论文解读] Bayesian inference of overlapping gravitational wave signals

Elia Pizzati, S. Sachdev+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 27被引用 4

一句话总结

该论文表明，只要引力波信号的并合时间间隔超过1–2秒，现有的数据分析流程即可通过贝叶斯推断准确恢复重叠引力波信号的参数。当信号并合时间间隔约为0.5毫秒时，会出现显著偏差，因此未来如宇宙探索者（Cosmic Explorer）和爱因斯坦望远镜（Einstein Telescope）等探测器需要开发新算法。

ABSTRACT

The observation of gravitational waves from LIGO and Virgo detectors inferred the mergers rates to be $23.9^{+14.9}_{-8.6}$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$ for binary black holes and $320^{+490}_{-240}$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$ for binary neutron stars. These rates suggest that there is a significant chance that two or more of these will overlap with each other during their lifetime in the sensitivity-band of future gravitational-wave detectors such as the Cosmic Explorer and Einstein Telescope. The detection pipelines provide the coalescence time of each signal with an accuracy $\mathcal{O}(10\, m ms)$. We show that using the information of the coalescence time, it is possible to correctly infer the properties of these overlapping signals with the current data-analysis infrastructure. Studying different configurations of the signals, we conclude that the inference is robust provided that the two are not coalescing within less than $\sim 1-2\,\mathrm{s}$. Signals whose coalescence epochs lie within $\sim 0.5\, m s$ of each other suffer from significant biases in parameter inference, and new strategies and algorithms are required to overcome such biases.

研究动机与目标

• 评估利用现有贝叶斯推断流程推断重叠引力波信号的可行性。
• 确定实现无偏参数估计所需的并合历元之间最小时间间隔。
• 评估现有数据分析基础设施在下一代探测器中处理重叠信号的鲁棒性。
• 确定在何种情况下由于参数推断偏差而需要开发新算法。

提出的方法

• 利用检测流程提供的并合时间信息，对重叠引力波信号应用贝叶斯推断。
• 分析假设并合时间已知，精度约为10毫秒，这与当前流程提供的信息一致。
• 通过模拟不同信号配置，测试在不同时间间隔下的推断性能。
• 在贝叶斯框架下，使用标准波形模型和似然函数执行参数估计。
• 通过将恢复的参数与注入的真值进行比较，量化时间间隔对推断偏差的影响。
• 研究并合时间相差0.5毫秒、1秒和2秒的信号重叠情况，以识别临界阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 现有的贝叶斯推断流程能否准确恢复重叠引力波信号的参数？
• RQ2 确保无偏参数估计所需的并合历元之间最小时间间隔是多少？
• RQ3 并合时间精度如何影响重叠信号推断的可靠性？
• RQ4 在何种时间间隔下，参数估计偏差变得显著？
• RQ5 当信号在约0.5毫秒内并合时，需要何种新型算法策略？

主要发现

• 在宇宙探索者（Cosmic Explorer）和爱因斯坦望远镜（Einstein Telescope）等未来探测器中，重叠的双黑洞和双中子星信号预计将频繁发生。
• 当并合时间间隔超过1–2秒时，参数推断保持稳健。
• 当并合时间间隔在约0.5毫秒以内时，参数估计中出现显著偏差。
• 只要时间间隔超过约1–2秒，当前的数据分析基础设施即可处理重叠信号。
• 当信号在约0.5毫秒内并合时，需要开发新算法以减轻偏差。
• 本研究确认，约10毫秒的并合时间精度足以在大多数重叠场景中实现可靠推断。