[论文解读] Coherent WaveBurst, a pipeline for unmodeled gravitational-wave data analysis

M. Drago, V. Gayathri+13 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 36被引用 10

一句话总结

coherent WaveBurst (cWB) 是一种高度可配置的开源流水线，利用时间-频率分析和 Wilson-Daubechies-Meyer 小波检测未建模的引力波瞬变信号。它实现了对 GW150914（双黑洞并合）的首次低时延探测，并自那以后在探测重大事件（如 GW190814 和 GW190521）中发挥了关键作用，包括首次直接观测到中等质量黑洞双星的证据。

ABSTRACT

coherent WaveBurst (cWB) is a highly configurable pipeline designed to detect a broad range of gravitational-wave (GW) transients in the data of the worldwide network of GW detectors. The algorithmic core of cWB is a time-frequency analysis with the Wilson-Daubechies-Meyer wavelets aimed at the identification of GW events without prior knowledge of the signal waveform. cWB has been in active development since 2003 and it has been used to analyze all scientific data collected by the LIGO-Virgo detectors ever since. On September 14, 2015, the cWB low-latency search detected the first gravitational-wave event, GW150914, a merger of two black holes. In 2019, a public open-source version of cWB has been released with GPLv3 license.

研究动机与目标

• 开发一种稳健、低时延的流水线，用于检测不依赖于信号形态先验假设的引力波瞬变信号。
• 实现引力波候选事件的快速定位与警报发布，以促进电磁波后续观测。
• 支持多台探测器网络中实时（低时延）和离线的引力波数据分析。
• 检测广泛的瞬变信号，包括双星并合、核心塌缩超新星以及波形未知的奇异源。
• 提供一种灵活、可扩展的框架，兼容未来的探测器网络和先进信号处理技术。

提出的方法

• 流水线使用回归算法对探测器数据进行预处理，以去除持续存在的谱线和噪声伪影。
• 利用 Wilson-Daubechies-Meyer (WDM) 小波变换将数据转换到时频域，实现在时间和频率上的高分辨率定位。
• 保留能量超过阈值的时频像素，并通过受约束的似然函数在多个探测器之间组合这些像素。
• 似然函数结合了探测器的辐射图案、干涉仪之间的时间延迟以及天区位置，以评估信号的相干性。
• 当所选像素的相干性度量超过预设阈值时，即识别为候选事件，表明网络中存在相干信号。
• 流水线使用 C++ 实现，基于 WAT 库和 ROOT 框架，同时使用 Python 脚本处理向 GraceDB 的低时延触发上传。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在对波形形态几乎无先验假设的前提下，实现实时检测引力波瞬变信号？
• RQ2 使用时频表示，如何实现最优方法以识别多台探测器中的一致性信号？
• RQ3 基于小波的方法是否能在检测具有未知或复杂波形形态的多样化瞬变信号时，实现高灵敏度和低时延？
• RQ4 该流水线在检测高质量比和高自旋双黑洞并合事件时表现如何，这些事件可能偏离标准模板模型？
• RQ5 该流水线在支持多达八台探测器的未来引力波网络方面，其适用范围有多大？

主要发现

• cWB 在数据采集后三分钟内实现了对 GW150914（双黑洞并合）的首次低时延探测，标志着引力波天文学的一个里程碑。
• 流水线成功探测到 GW190814，识别出质量比迄今观测到最不均衡的双星系统中的高阶多极成分。
• cWB 在 GW190521 的探测中发挥了核心作用，这是迄今观测到的质量最大、距离最远的黑洞并合事件，提供了首个中等质量黑洞双星的直接证据。
• 2019 年 cWB 以 GPLv3 许可证开源发布，使整个社区能够广泛访问，并集成到未来的数据分析工作流中。
• 自 2015 年以来，cWB 已用于所有 LIGO-Virgo 科学数据分析，包括全天空突发搜寻和核心塌缩超新星的定向搜寻。
• 基于小波的方法受到 2017 年 Abel 奖得主 Yves Meyer 的认可，他在领奖演讲中特别强调了其在引力波探测中的作用。