[论文解读] Gravitational-Wave Lensing Fringes by Compact Dark Matter at LIGO

Sunghoon Jung, Chang Sub Shin|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 3

一句话总结

本文提出，LIGO 可通过频率 chirping 效应探测到质量范围为 10–10⁵ M☉ 的致密暗物质引起的引力波透镜效应，从而在一年内探测到多达 1,000 个透镜化引力波事件，并利用先进 LIGO 的灵敏度将致密暗物质分数约束在 f_DM ≳ 10⁻³ 以上。

ABSTRACT

Utilizing gravitational-wave (GW) lensing opens a new way to understand the history and structure of the universe. In spite of coarse angular resolution and short duration of observation, we show that LIGO can detect the GW lensing induced by small structures, in particular by compact dark matter (DM) of $10 - 10^5 M_{ m sun}$, which remains an interesting DM candidate. The lensing is detected through GW frequency chirping, creating the natural and rapid change of lensing patterns: frequency-dependent amplification and modulation of waveforms. As a highest-frequency GW detector, LIGO is a unique GW lab to probe such light compact DM. With design sensitivity of Advanced LIGO, one-year observation can detect as many as 1000 lensed GWs and constrain compact DM fraction as small as $f_{ m DM} \gtrsim 10^{-3}$.

研究动机与目标

• 探讨利用 LIGO 检测由致密暗物质结构引起的引力波透镜效应的可行性。
• 解决在探测引力波信号中透镜效应时因角分辨率低和观测时间窗口短所带来的挑战。
• 证明引力波波形中频率相关的放大和调制可作为轻质致密暗物质透镜效应的可探测特征。
• 量化先进 LIGO 对致密暗物质的灵敏度，特别是针对 10–10⁵ M☉ 质量范围。

提出的方法

• 利用 LIGO 对高频信号的高灵敏度，探测由透镜效应引起的引力波波形中快速的频率相关变化。
• 将致密暗物质晕引起的引力透镜效应建模为引力波信号的时变放大和相位调制。
• 利用引力波信号的频率 chirp 自然编码透镜模式，即使在观测时间短的情况下也能实现探测。
• 应用统计分析估算在一年观测期内可探测到的透镜化引力波事件数量。
• 基于先进 LIGO 的预期探测率和灵敏度极限，推导出对致密暗物质分数 f_DM 的约束。
• 利用波形调制和放大作为可观测特征，推断致密暗物质的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管角分辨率较低且观测时间窗口短，LIGO 是否仍能探测到质量范围为 10–10⁵ M☉ 的致密暗物质引起的引力波透镜效应？
• RQ2 引力波波形中频率相关的放大和调制如何作为致密暗物质透镜效应的可探测特征？
• RQ3 在一年观测期内，先进 LIGO 预计可探测到多少个透镜化引力波事件？
• RQ4 LIGO 能在多大程度上利用透镜效应特征约束宇宙中致密暗物质分数 f_DM？

主要发现

• LIGO 可通过频率 chirping 效应探测到质量范围为 10–10⁵ M☉ 的致密暗物质引起的引力波透镜效应。
• 使用先进 LIGO 灵敏度进行一年观测，可探测到多达 1,000 个透镜化引力波事件。
• 该方法可将致密暗物质分数 f_DM 约束至 f_DM ≳ 10⁻³ 以下。
• 引力波波形中频率相关的放大和调制提供了自然且快速的透镜效应特征，适用于 LIGO 等高频探测器。
• LIGO 独特的高频响应使其成为探测轻质致密暗物质候选体的强大工具。
• 透镜效应表现为引力波波形中的瞬态、频率相关的畸变，即使在短时信号中也可被探测到。