[论文解读] Impact of O4 future detection on the determination of the dense matter equations of state

J.-F. Coupechoux, R. Chierici+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 1

一句话总结

本文研究了LIGO-Virgo-KAGRA即将开展的O4观测期如何通过引力波观测改善对中子星方程态（EoS）的约束。通过贝叶斯推断与波形建模，研究发现：若在O4期间观测到距离100 Mpc以内的GW170817类事件，有效潮汐可变形性不确定度将相比O2降低7倍，尽管存在噪声限制，仍能显著提升对EoS的区分能力。

ABSTRACT

In view of the next LIGO-Virgo-KAGRA Observing period O4 (to start in Spring 2023), we address the question of the ability of the interferometers network to discriminate among different neutron stars equation of states better than what was possible with the observation of the binary neutron stars merger GW170817. We show that the observation of an event similar to GW170817 during O4 would allow to resolve the dimensionless effective tidal deformability $ ilde{\Lambda}$ within an uncertainty 7 times better than the one obtained in O2. Thanks to the expected increase in sensitivities, we show that any GW170817-like single-event within a distance of 100 Mpc would imply significantly improved constraints of the neutron stars equations of state. We also illustrate the important impact of the noise in the analysis of the signal, showing how it can impact the effective tidal deformability probability density function for large signal-to-noise ratio.

研究动机与目标

• 评估O4时代引力波探测将如何改善对中子星方程态的约束。
• 评估与O2相比，O4探测器灵敏度提升和噪声降低的影响。
• 量化源距离（特别是100 Mpc以内）对GW170817类事件中EoS区分的影响。
• 研究仪器噪声在高信噪比下对潮汐可变形性后验概率密度函数的扭曲作用。
• 使用八种代表性EoS重新分析GW170817，包括具有夸克核心相变的模型，通过贝叶斯因子对它们进行排序。

提出的方法

• 使用Bilby框架进行贝叶斯参数估计，从模拟的引力波信号中推断潮汐可变形性和EoS参数。
• 对八种中子星EoS进行建模，包括六种具有第一类或交叉相变至夸克物质的模型，以代表多样的理论可能性。
• 使用至五阶的后牛顿波形展开，将潮汐效应对引力波信号的影响纳入考虑。
• 针对不同距离（最高100 Mpc）和O4类噪声曲线，模拟GW170817类事件的信号，以评估灵敏度提升。
• 应用贝叶斯因子根据后验证据对竞争性EoS模型进行排序，实现模型比较。
• 分析残余噪声对有效潮汐可变形性后验分布的影响，尤其在高信噪比下。

实验结果

研究问题

• RQ1 与O2相比，O4在多大程度上提升了有效潮汐可变形性测量的精度？
• RQ2 在O4期间，若观测到100 Mpc以内的GW170817类事件，能多大程度上约束中子星方程态？
• RQ3 残余仪器噪声在高信噪比下如何影响潮汐可变形性推断的可靠性？
• RQ4 特别是具有夸克核心相变的EoS模型中，哪些在O4数据中得到最强支持？
• RQ5 贝叶斯因子能否可靠地区分核心存在相变与不存在相变的EoS？

主要发现

• 在100 Mpc以内观测到类似GW170817的O4类事件，可使有效潮汐可变形性˜Λ的不确定度相比O2降低约7倍。
• O4探测器的改进灵敏度即使对中等距离事件也能实现对中子星方程态的显著更紧约束。
• 分析中的残余噪声可能扭曲有效潮汐可变形性后验概率密度函数，尤其在高信噪比下，引入系统性偏差。
• 具有夸克核心相变的EoS模型可与纯强子模型明确区分，使用O4数据并结合贝叶斯模型选择时可信度极高。
• 贝叶斯因子分析根据证据对EoS进行排序，表明若信号足够强且干净，具有相变的模型将被强烈偏好。
• 本研究证实距离是关键因素：100 Mpc以内的事件对EoS区分提供最紧约束。