[论文解读] Multimessenger astronomy

Xi-Long Fan, M. Hendry|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 5

一句话总结

本文倡导在引力波天文学中采用多信使方法，整合引力波（GW）与电磁（EM）观测，以改善源定位、参数估计和宇宙学探测。研究表明，联合GW-EM观测可显著提升检测效率，并实现对宇宙学参数（如哈勃常数）的精确测量，利用第二代探测器观测100个事件，有望将精度控制在10%以内。

ABSTRACT

In this paper we provide a short overview of the scope and strong future potential of a multi-messenger approach to gravitational-wave astronomy, that seeks to optimally combine gravtitational wave and electromagnetic observations. We highlight the importance of a multi-messenger approach for detecting gravitational wave sources, and also describe some ways in which joint gravitational wave and electromagnetic observations can improve the estimation of source parameters and better inform our understanding of the sources themselves -- thus enhancing their potential as probes of astrophysics and cosmology.

研究动机与目标

• 证明结合引力波与电磁观测在探测和表征致密双星并合事件方面的优势。
• 解决引力波探测中天空定位精度差的问题，并探讨电磁波后随观测如何解决该问题。
• 探讨联合GW-EM观测如何改善参数估计，特别是对哈勃常数等宇宙学参数的估计。
• 评估在先进引力波探测器时代，实时多信使后随观测的可行性与计算需求。
• 强调多信使天文学在利用未来探测器（如爱因斯坦望远镜）探测中子星状态方程和时空结构方面的潜力。

提出的方法

• 利用理论建模短伽马射线暴（sGRBs）的电磁对应体，这些sGRBs与中子星-中子星（NS-NS）和中子星-黑洞（NS-BH）并合相关。
• 分析电磁对应体在整个电磁波谱中的时间与光谱特征，以指导快速后随观测。
• 应用贝叶斯推断技术，结合GW与EM数据以改进源参数估计，包括天空定位和红移测定。
• 评估仅使用GW数据通过质量分布和潮汐形变打破红移退化，以实现宇宙学参数估计。
• 考虑实时GW触发在促进针对性EM搜索中的作用，特别是在第二代探测器早期运行阶段。
• 评估空间定位不确定性对EM后随观测效率的影响，并提出利用星系先验分布的统计方法以减轻其影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 联合引力波与电磁观测在多大程度上能改善致密双星并合源的定位与识别？
• RQ2 NS-NS与NS-BH并合最有可能的电磁对应体是什么？如何实现实时高效探测？
• RQ3 利用多信使数据能多大程度上约束宇宙学参数（如哈勃常数）？可实现多高的精度？
• RQ4 GW-only天空定位的局限性对EM后随观测成功率有何影响？
• RQ5 未来探测器（如爱因斯坦望远镜）在通过多信使天文学提升宇宙学测量精度方面发挥何种作用？

主要发现

• 联合GW-EM观测显著改善天空定位，相比仅使用GW探测，能有效减少源识别的模糊性。
• 电磁对应体（如短伽马射线暴sGRBs）可提供关键触发信号，有助于缩小参数空间，从而简化和增强GW搜索。
• 在约100次探测事件下，第二代干涉仪可仅通过GW数据与中子星质量分布的统计建模，将哈勃常数的估计精度控制在约10%以内。
• 在中子星双星并合的旋近阶段，潮汐形变可为红移提供额外约束，利用爱因斯坦望远镜等第三代探测器，可实现10–20%精度的红移测量。
• 在GW定位误差框内，利用星系先验分布进行统计宿主星系识别，可在约50次事件下将宇宙学参数估计精度提升至百分之几。
• 尽管GW-only分析具有潜力，但多信使方法在宇宙学参数估计方面更为有效，因其具有更高精度并减少了退化问题。