[论文解读] Listening to the Universe with Next Generation Ground-Based Gravitational-Wave Detectors

Ssohrab Borhanian, B. S. Sathyaprakash|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 24

一句话总结

该论文使用费舍尔分析来预测未来地基 GW 探测网络（A+、Voyager、NG 类 CE 与 ET）在 BNS 和 BBH 合并的探测、定位和多信使潜力。

ABSTRACT

In this study, we use simple performance metrics to assess the science capabilities of future ground-based gravitational-wave detector networks -- composed of A+ or Voyager upgrades to the LIGO, Virgo, and KAGRA observatories and proposed next generation observatories such as Cosmic Explorer and Einstein Telescope. These metrics refer to coalescences of binary neutron stars (BNSs) and binary black holes (BBHs) and include: (i) network detection efficiency and detection rate of cosmological sources as a function of redshift, (ii) signal-to-noise ratios and the accuracy with which intrinsic and extrinsic parameters would be measured, and (iii) enabling multimessenger astronomy with gravitational waves by accurate 3D localization and early warning alerts. We further discuss the science enabled by the small population of rare and extremely loud events. While imminent upgrades will provide impressive advances in all these metrics, next generation observatories will deliver an improvement of an order-of-magnitude or more in most metrics. In fact, a network containing two or three such facilities will detect half of all the BNS and BBH mergers up to a redshift of $z=1$ and $z=20$, respectively, give access to hundreds of BNSs and ten thousand BBHs with signal-to-noise ratios exceeding 100, readily localize hundreds to thousands of mergers to within $1\,{ m deg^2}$ on the sky and better than 10% in luminosity distance, respectively, and consequently, enable mutlimessenger astronomy through follow-up surveys in the electromagnetic spectrum several times a week. Such networks will further shed light on potential cosmological merger populations and detect an abundance of high-fidelity BNS and BBH signals which will allow investigations of the high-density regime of matter at an unprecedented level and enable precision tests of general relativity in the strong-field regime, respectively.

研究动机与目标

• 评估由 A+、Voyager 和下一代观测站（CE 和 ET）组成的未来 GW 探测网络的科学能力。
• 评估网络性能指标，包括对 BNS 和 BBH 合并的探测效率、信噪比（SNR）、参数估计以及三维定位。
• 量化通过早期警报和天空定位实现多信使天文观测的潜力。
• 探讨来自罕见、高信噪比 GW 事件的科学机会及对广义相对论测试和致密物质物理的影响。

提出的方法

• 用指定质量、自旋和取向来建模探测器网络和源分布（BNS 与 BBH）。
• 通过 gwbench 使用费舍尔信息框架来估计网络配置下的参数误差和 SNR。
• 使用式（2）和式（4）中的 sigmoid 拟合，按红移计算网络 SNR 和探测效率。
• 模拟天空定位和早期警报能力，包括合并的三维定位和前导警报。
• 在费舍尔分析中采用 BNS 的 IMRPhenomD_NRTidalv2 和 BBH 的 IMRPhenomHM 波形建模。
• 检查每个网络的探测能力与红移极限，并推导跨红移分箱的探测率。

实验结果

研究问题

• RQ1 A+、Voyager 与 NG 探测网络在 BNS 与 BBH 探测方面提供的性能提升有哪些？
• RQ2 网络配置如何影响 SNR 分布、参数估计精度与天空定位？
• RQ3 不同网络的探测能力边界和观测极限红移是多少？这些如何转化为探测率与多信使前景？
• RQ4 提前警报与三维定位在推动电磁跟观测方面的可行性如何？
• RQ5 在这些网络中来自罕见高 SNR GW 事件的科学机会有哪些？

主要发现

• 相较现有升级，下一代网络（NG）将在大多数指标上提升一个数量级或更多。
• 由两到三个 NG 设施组成的网络将能够探测约一半的 BNS 合并到 z=1，BBH 合并到 z=20。
• NG 网络可以将数百到数千个合并定位在小于 1 deg^2 的位置，并对许多事件测量光度距离不超过 10% 的精度。
• Voyager 网络将将 BBH 合并探测到 z~10，BNS 合到 z~0.9，且对许多事件具有显著的 SNR（>100）。
• NG 网络将通过频繁的跟观测实现多信使天文学，并将实现对广义相对论和致密物质物理的精确测试。