[论文解读] Designing a template bank to observe compact binary coalescences in Advanced LIGO's second observing run

T. Dal Canton, I. W. Harry|arXiv (Cornell University)|May 4, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 46

一句话总结

本文提出了一种新颖的统一模板库，用于在先进LIGO的第二轮观测（O2）中探测致密双星并合，涵盖从中子星到数百倍太阳质量的高质质量黑洞系统。该模板库引入可变起始频率和最小波形持续时间，以优化灵敏度和计算效率，实现对宽质量范围的单一、高灵敏度搜索，同时改善对大质量双黑洞系统的覆盖。

ABSTRACT

We describe the methodology and novel techniques used to construct a set of waveforms, or template bank, applicable to searches for compact binary coalescences in Advanced LIGO's second observing run. This template bank is suitable for observing systems composed of two neutron stars, two black holes, or a neutron star and a black hole. The Post-Newtonian formulation is used to model waveforms with total mass less than 4 $M_{\odot}$ and the most recent effective-one-body model, calibrated to numerical relativity to include the merger and ringdown, is used for total masses greater than 4 $M_{\odot}$. The effects of spin precession, matter, orbital eccentricity and radiation modes beyond the quadrupole are neglected. In contrast to the template bank used to search for compact binary mergers in Advanced LIGO's first observing run, here we are including binary-black-hole systems with total mass up to several hundreds of solar masses, thereby improving the ability to observe such systems. We introduce a technique to vary the starting frequency of waveform filters so that our bank can simultaneously contain binary-neutron-star and high-mass binary-black hole waveforms. We also introduce a lower-bound on the filter waveform length, to exclude very short-duration, high-mass templates whose sensitivity is strongly reduced by the characteristics and performance of the interferometers.

研究动机与目标

• 设计一个单一、全面的模板库，覆盖先进LIGO O2运行中低质量（中子星）和高质质量（黑洞）双星并合。
• 通过将低质量和高质质量双星的参数空间合并为一个连贯的搜索，克服分别搜索低质量和高质质量双星的局限性。
• 通过引入可变模板起始频率和最小波形持续时间阈值，提升灵敏度和计算效率。
• 确保模板库在整个质量范围内保持高灵敏度，同时最小化因离散模板间距导致的损失。

提出的方法

• 对于总质量小于 4 M⊙ 的系统，使用后牛顿模型；对于质量大于 4 M⊙ 的系统，使用校准至数值相对论的等效一质量体（EOB）模型。
• 为每个模板应用可变起始频率，以优化不同质量系统的灵敏度，特别是实现对双中子星和高质质量双黑洞的有效覆盖。
• 对波形长度施加下限，以排除因探测器特性导致灵敏度下降的极短时长、高质质量模板。
• 使用最小填充算法在质量与自旋参数空间的网格上布置模板，以在最小模板数量下实现完全覆盖。
• 将噪声功率谱密度建模为汉福德与利文斯顿探测器的调和平均值，以提高匹配滤波的准确性。
• 通过注入实验对模板库进行验证，以评估其在参数空间内的信号恢复效率和灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一个单一模板库，以高效且高灵敏度地覆盖先进LIGO O2中从低质量（中子星）到高质质量（黑洞）的致密双星并合？
• RQ2 为最大化宽质量范围内灵敏度，波形滤波器的起始频率应如何最优设置？
• RQ3 施加最小波形持续时间如何提升模板库的灵敏度和计算可行性？
• RQ4 模板库在全质量范围内，特别是在高质质量边界附近，其灵敏度保持程度如何？
• RQ5 忽略自旋进动、偏心率和高阶辐射模态对模板库性能及未来扩展的影响是什么？

主要发现

• 该模板库成功覆盖了从 2 M⊙ 到数百倍太阳质量的总质量范围，使对致密双星并合的单一、统一搜索成为可能。
• 使用可变起始频率使同一模板库能够有效覆盖双中子星和高质质量双黑洞。
• 施加 0.05 秒的最小波形持续时间显著提升了灵敏度，通过排除可检测性差的高质质量、短时长模板。
• 模板库对注入信号实现了高恢复效率，在质量与自旋参数空间中超过 95% 的信号被成功恢复。
• 模板库在整个质量范围内保持了灵敏度，包括其高质质量极限之上的系统，展现出良好的鲁棒性和可扩展性。
• 未来需改进以纳入进动自旋、偏心率和高阶辐射模态，这些目前仍被忽略。