[论文解读] Finding the One: Identifying the Host Galaxies of Gravitational-Wave Sources

Hsin-Yu Chen, D. E. Holz|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 6被引用 33

一句话总结

本文表明，未来的引力波探测器网络，特别是在LIGO/Virgo的第三轮观测期间，将能够将一小部分致密双星并合事件——称为“黄金事件”——定位到小于1,000 Mpc³的体积和低于10 deg²的天区。这些被极其精确地定位的源将无需依赖电磁对应体即可实现宿主星系的唯一识别，从而支持通过标准 sirens 实现直接的宇宙学测量，并促进深度多信使后续观测。

ABSTRACT

We explore the localization of compact binary coalescences with ground-based gravitational-wave detector networks. We simulate tens of thousands of binary events, and present the distributions of localization sky areas and localization volumes for a range of sources and network configurations. We show that generically there exists a tail of particularly well-localized events, with 2D and 3D localizations of $<10\,\mbox{deg}^2$ and $<1000\,\mbox{Mpc}^3$ achievable, respectively, starting in LIGO/Virgo's third observing run. Incorporating estimates for the galaxy density and the binary event rates, we argue that future gravitational-wave detector networks will localize a small number of binary systems per year to a sufficiently small volume that the unique host galaxy might be identified. For these golden events, which are generally the closest and loudest ones, the gravitational-wave detector networks will point (in 3D; the length of the finger matters) directly at the source. This will allow for studies of the properties of the host galaxies of compact binary mergers, which may be an important component in exploring the formation channels of these sources. In addition, since the host will provide an independent measurement of the redshift, this will allow the use of the event as a standard siren to measure cosmology. Furthermore, identification of a small number of host galaxies can enable deep follow-up searches for associated electromagnetic transients.

研究动机与目标

• 确定地面引力波探测器网络对致密双星并合事件的定位性能。
• 评估利用三维定位体积识别引力波源宿主星系的可行性。
• 评估这些高度定位的事件作为标准 sirens 用于宇宙学距离测量的潜力。
• 探讨宿主星系识别如何增强电磁对应体的探测与多信使天文学的发展。

提出的方法

• 使用LALSuite波形，对数万个随机分布于天空、倾角和红移下的双星并合事件（1.4–1.4、10–10 和 30–30 M☉）进行模拟。
• 应用基于Chen & Holz (2015) 的快速三维定位算法，并扩展以包含距离与红移映射。
• 基于宇宙学假设，将定位体积映射至星系星表，并估算这些体积内的星系密度。
• 通过结合天区定位面积与三维体积约束，评估每起事件的潜在宿主星系数量。
• 评估利用大口径望远镜（如DECam和LSST）探测宿主星系的可行性，考虑星等与巡天效率。
• 测试宇宙学参数不确定性与星系聚类对宿主星系识别影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同探测器网络配置和源参数下，致密双星并合事件的二维天区定位面积与三维定位体积分布如何？
• RQ2 未来的引力波网络能否将足够数量的事件定位到足够小的体积内（例如，<1,000 Mpc³），以实现宿主星系的唯一识别？
• RQ3 高度定位的源越近，其宿主星系通过当前及未来望远镜探测的难易程度如何？
• RQ4 在无需电磁对应体的情况下，宿主星系的识别能在多大程度上支持通过标准 sirens 实现宇宙学测量？
• RQ5 宇宙学参数不确定性与星系聚类如何影响宿主星系识别的可靠性？

主要发现

• 一小部分最明亮且最近的致密双星并合事件——称为“黄金事件”——可被定位到三维体积小于1,000 Mpc³、二维天区小于10 deg²，这一能力将从LIGO/Virgo第三轮观测开始具备。
• 在1,000 Mpc³体积内定位的最近30–30 M☉双星，其光度距离约为400 Mpc（z ~ 0.1），引力透镜效应可忽略不计。
• 对于处于设计灵敏度的HLV网络，BNS事件的中位90%天区定位面积为1.8 deg²，可通过DECam等大视场巡天在约1分钟内完成全覆盖。
• 这些高度定位事件的宿主星系通常足够明亮（例如，在400 Mpc处B波段星等约为17.6），可使用DECam等仪器实现实时星表化。
• 定位体积内潜在宿主星系数量极少，加之距离较近，使得对电磁对应体的高效且深度的后续搜索成为可能。
• 即使存在宇宙学参数不确定性（例如±10%），定位体积仍可显著缩小，足以实现宿主星系识别，并进一步通过标准 sirens 测量实现宇宙学约束。