[论文解读] Discovering gravitationally lensed gravitational waves: predicted rates, candidate selection, and localization with the Vera Rubin Observatory

G. P. Smith, Andrew Robertson+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新型的、与透镜无关的方法，利用维拉·鲁宾天文台探测引力透镜效应下的中子星并合事件，通过高质质量间隙概率候选体和千新星对应体实现定位。该方法预测到2020年代中期，每年可探测到约一次可检测的透镜化NS-NS并合事件，其到达时间延迟为1秒至1年之间，并表明仅需每年0.25%的鲁宾望远镜观测时间，通过针对性后续观测即可探测到透镜化千新星对应体。

ABSTRACT

Secure confirmation that a gravitational wave (GW) has been gravitationally lensed would bring together these two pillars of General Relativity for the first time. This breakthrough is challenging for many reasons, including: GW sky localization uncertainties dwarf the angular scale of gravitational lensing, the mass and structure of gravitational lenses is diverse, the mass function of stellar remnant compact objects is not yet well constrained, and GW detectors do not operate continuously. We introduce a new approach that is agnostic to the mass and structure of the lenses, compare the efficiency of different methods for lensed GW discovery, and explore detection of lensed kilonova counterparts as a direct method for localising candidates. Our main conclusions are: (1) lensed neutron star mergers (NS-NS) are magnified into the "mass gap" between NS and black holes, therefore selecting candidates from public GW alerts with high mass gap probability is efficient, (2) the rate of detectable lensed NS-NS will approach one per year in the mid-2020s, (3) the arrival time difference between lensed NS-NS images is $1\, m sec\lesssimΔt\lesssim1\,year$, and thus well-matched to the operations of GW detectors and optical telescopes, (4) lensed kilonova counterparts are faint at peak (e.g.\ $r_{ m AB}\simeq24-26$ in the mid-2020s), fade quickly ($d<2\, m days$), and are detectable with target of opportunity observations with large wide-field telescopes. For example, just $\lesssim0.25$ per cent of Vera C.\ Rubin Observatory's observing time will be sufficient to follow up one well-localized candidate per year. Our predictions also provide a physically well-defined basis for exploring electromagnetically the exciting new "mass gap" discovery space.

研究动机与目标

• 通过一种不依赖透镜质量与结构的方法，识别引力透镜效应下的引力波事件。
• 通过聚焦于引力波警报中具有高概率落入中子星与黑洞之间‘质量间隙’的事件，改进候选体筛选。
• 通过透镜化千新星对应体的电磁波后续观测，实现对透镜化GW候选体的定位。
• 评估利用目标机会观测在维拉·鲁宾天文台探测透镜化千新星对应体的可行性。
• 量化可预期的透镜化NS-NS并合事件探测率及其时间延迟，使其与引力波探测器工作周期相匹配。

提出的方法

• 作者结合透镜模型与Nicholl等人（2021）的千新星光变曲线模拟，预测透镜化千新星对应体的亮度及其演化特征。
• 通过筛选引力波警报中具有高后验概率落入‘质量间隙’（1.5–3 M☉）的事件，将透镜化NS-NS并合识别为候选体，该质量范围对应于被放大的中子星并合事件。
• 该方法假设透镜化NS-NS事件将被放大至质量间隙范围，从而可与典型的NS-NS或BH-BH并合事件区分开来。
• 通过在50 deg²的定位区域内进行三次观测，使用深r波段观测，估算千新星探测所需的观测时间。
• 时间延迟在1秒至1年之间建模，与引力波探测器工作周期及光学后续观测窗口兼容。
• 通过证明即使光度较暗、快速衰减的千新星（峰值r_AB ≈ 24–26）也能通过鲁宾望远镜的宽视场能力进行针对性观测而被探测到，验证了该方法的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前代引力波探测器对透镜化中子星并合事件的预期探测率是多少？
• RQ2 如何在不事先假设透镜质量或结构的前提下，高效筛选透镜化引力波候选体？
• RQ3 能否在维拉·鲁宾天文台探测到透镜化千新星对应体？需要何种观测策略？
• RQ4 透镜化NS-NS并合事件的多图像之间的时间延迟范围是多少？其与观测运行的匹配程度如何？
• RQ5 能否通过透镜化对应体的后续观测，同时测量高红移千新星的本征紫外光变曲线？

主要发现

• 预计在2020年代中期，可探测到的透镜化NS-NS并合事件率将达到每年约一次。
• 透镜化NS-NS并合事件被放大至‘质量间隙’（1.5–3 M☉）范围，使其可通过引力波警报中高质质量间隙概率被识别。
• NS-NS并合事件透镜图像之间的时间延迟预计在1秒至1年之间，与引力波探测器工作周期及光学后续观测窗口高度匹配。
• 透镜化千新星对应体的峰值星等为r_AB ≈ 24–26，且在两天内迅速衰减，但可通过深空、针对性观测在维拉·鲁宾天文台探测到。
• 仅需约0.25%的维拉·鲁宾天文台年度观测时间，即可对一个定位良好的透镜化NS-NS候选体进行三次r波段观测，覆盖50 deg²区域。
• 最强烈放大的透镜化千新星可能可使用小口径望远镜配合V、R波段通带滤光片探测到。