[论文解读] LIGO-Virgo events localization as a test of gravitational wave polarization state

Liudmila Fesik, Baryshev, Yu. V.+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 4被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种新方法，利用LIGO-Virgo探测器网络的天空定位结果，通过时间延迟和各探测器间应变比来确定引力波的偏振态。研究发现，GW150914、GW151226和LVT151012事件的允许源位置的表观圆圈与本超星系团平面平行，表明这些事件可能与这一大尺度结构有关；而GW170104的表观圆圈虽与该平面垂直，但其光学对应体ATLAS17aeu仍位于本超星系团平面内，因此与该平面一致。

ABSTRACT

The detection of the gravitational wave events GW150914, GW151226, LVT 151012 and GW170104 by the Advanced LIGO antennas has opened a new possibility for the study of fundamental physics of gravitational interaction. We suggest a new method for determining the polarization state of a gravitational wave, which is independent of the nature of a GW source. For this, we calculate the allowed sky positions of GW sources along apparent circles. This is done for each polarization state by considering the sensitivity pattern of each antenna and relative amplitudes of detected signals. The positions of circles are calculated with respect to the line joining both LIGO antennas using the observed arrival time delay of the signal between them. The apparent circles (AC) on the sky for allowed positions of the GW sources for the GW150914, GW151226 and LVT151012 events are parallel to the plane of the disc-like large scale structure known as the Local Super-Cluster (LSC) of galaxies which extends up to radius $\sim 100$ Mpc and having thickness $\sim 30$ Mpc. For the GW170104 event, the AC is perpendicular to the LSC plane but the predicted position of the source may also belong to the LSC plane, which is consistent with detection of possible optical counterpart ATLAS17aeu. The next aLIGO-aVirgo observing runs are proposed to test the possibility of clustering the GW sources along the LSC plane.

研究动机与目标

• 开发一种不依赖源天体物理性质的引力波偏振态确定方法，仅基于干涉仪探测器网络的响应特性。
• 检验观测到的引力波事件是否与张量或标量偏振模式一致。
• 研究探测到的引力波源的空间分布是否与本超星系团等大尺度结构相关。
• 提供一种利用探测器间应变比和时间延迟区分张量与标量偏振态的框架。
• 为未来观测运行提供指导，以检验引力波源是否沿超星系平面聚集。

提出的方法

• 该方法基于探测器灵敏度图样和每种假设偏振态下的相对信号振幅，计算允许引力波源位置在天球上的表观圆圈（ACs）。
• 利用LIGO-Livingston与LIGO-Hanford两个探测器之间信号的时间延迟，约束源方向相对于二者基线的位置。
• 针对每种偏振态（+、×、标量纵向、标量横向），计算理论应变比，并与探测器实测应变比进行比较。
• 应用G因子形式化方法建模探测器响应，利用探测器对之间G因子的比值，预测不同偏振模式下的应变比。
• 在超星系坐标系中计算理论表观圆圈，并与实际事件定位结果对比，以推断偏振态。
• 通过在超星系平面内和外模拟人工源，测试该方法区分不同偏振态的能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅利用探测器响应和时间延迟信息，独立于源的天体物理性质，确定引力波的偏振态？
• RQ2 LIGO-Virgo事件的观测天空定位是否与本超星系团平面一致，暗示存在物理关联？
• RQ3 基于应变比和束型图案分析，两臂干涉仪网络能否区分张量与标量偏振模式？
• RQ4 引力波事件的允许源位置表观圆圈是否对偏振态敏感，能否用于检验替代引力理论？
• RQ5 GW170104的光学对应体（如ATLAS17aeu）的存在是否支持该事件位于本超星系团平面内的假设？

主要发现

• 对于GW150914、GW151226和LVT151012，允许源位置的表观圆圈与本超星系团的超星系平面平行，表明这些事件可能与这一大尺度结构有关。
• 对于GW170104，表观圆圈垂直于超星系平面，但预测的源位置仍位于平面±30°范围内，与光学对应体ATLAS17aeu位于本超星系团内的事实一致。
• 该方法成功利用两臂干涉仪区分了张量与标量偏振模式，但若无单臂探测器，则无法区分标量纵向与横向模式。
• 人工源模拟结果表明，该方法可基于应变比和表观圆圈几何特征有效区分偏振态，尤其当源位于超星系平面内或外时更为显著。
• 引力波事件沿超星系平面的聚集现象极不可能是随机巧合，尤其考虑到这些事件距离较远（约400–1000 Mpc）。
• 结果支持假设：未来aLIGO-aVirgo观测运行应检验引力波源是否沿超星系平面聚集，以进一步验证偏振依赖的定位特性。