[论文解读] Prospects for early localization of gravitational-wave signals from compact binary coalescences with advanced detectors

A. Manzotti, Alexander Dietz|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2012

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 6被引用 6

一句话总结

本文研究了利用先进LIGO、Virgo和KAGRA探测器，对致密双星并合产生的引力波信号实现早期探测与天区定位的可行性。通过蒙特卡洛模拟，结果表明，加入KAGRA后，天区定位面积可缩小至数百平方度或更小，从而实现光学望远镜的及时后续观测，使并合前的多信使天文学成为可能。

ABSTRACT

A leading candidate source of detectable gravitational waves is the inspiral and merger of pairs of stellar-mass compact objects. The advanced LIGO and advanced Virgo detectors will allow scientists to detect inspiral signals from more massive systems and at earlier times in the detector band, than with first generation detectors. The signal from a coalescence of two neutron stars is expected to stay in the sensitive band of advanced detectors for several minutes, thus allowing detection before the final coalescence of the system. In this work, the prospects of detecting inspiral signals prior to coalescence, and the possibility to derive a suitable sky area for source locations are investigated. As a large fraction of the signal is accumulated in the last ~10 seconds prior to coalescence, bandwidth and timing accuracy are largely accrued in the very last moments prior to coalescence. We use Monte Carlo techniques to estimate the accuracy of sky localization through networks of ground-based interferometers such as aLIGO and aVirgo. With the addition of the Japanese KAGRA detector, it is shown that the detection and triangulation before coalescence may be feasible.

研究动机与目标

• 评估利用先进探测器网络在最终并合前探测致密双星并合引力波信号的前景。
• 评估此类早期探测的天区定位精度，特别是多探测器网络下的表现。
• 确定早期定位是否能够支持有效利用电磁望远镜进行后续观测。
• 研究在LIGO-Virgo网络中加入KAGRA探测器对定位性能的影响。
• 量化在真实信噪比阈值下，探测与定位仍可行的时间窗口（以并合前为基准）。

提出的方法

• 使用后牛顿近似法模拟中子星-中子星（NS–NS）和中子星-黑洞（NS–BH）系统的非自旋双星旋近波形。
• 利用预期的aLIGO、aVirgo和KAGRA的噪声功率谱密度曲线计算信噪比（SNR）。
• 通过探测器网络中信号到达时间差进行三角测量，估算天区定位精度。
• 采用蒙特卡洛方法模拟空间中均匀分布的源，计算探测概率与天区面积分布。
• 评估2-和3-探测器网络（LIGO–Virgo与LIGO–Virgo–KAGRA）的定位性能，重点关注并合前最后10秒内的表现。
• 通过计算为实现给定探测概率需观测的天空比例，评估电磁波后续观测的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用先进LIGO–Virgo网络，在并合前10秒以上探测到致密双星并合信号的概率是多少？
• RQ2 KAGRA探测器的加入如何提升早期引力波探测的天区定位精度？
• RQ3 为实现高概率捕捉到引力波触发后的电磁对应体，需要观测天空的多大比例？
• RQ4 能否克服数据处理与通信延迟，实现在引力波探测后数秒内完成及时的电磁波后续观测？
• RQ5 对于不同探测器网络配置，并合前不同时间点的天区定位面积如何随时间演变？

主要发现

• 仅约3%的NS–NS双星在并合前约10秒内，可通过LIGO–Virgo网络以信噪比>7探测到。
• 对于NS–BH系统，相同网络在并合前10秒的探测概率降至约0.6%。
• 加入KAGRA后，天区定位面积减少至数百平方度或更小，使电磁波后续观测成为可能。
• 若观测最敏感区域的40%，10平方度的望远镜可实现约80%的概率覆盖定位区域。
• 随着并合时间的临近，光学后续观测的成功概率急剧下降：在t=0 s时为90%，t=1 s时降至6%，t=3 s时低于1%（使用三探测器网络）。
• KAGRA的引入消除了三探测器网络中存在的方向模糊性，显著提升了定位精度，使单台望远镜后续观测成为可能。