[论文解读] Searching for Mini Extreme Mass Ratio Inspirals with Gravitational-Wave Detectors

Huai-Ke Guo, Andrew H. Miller|arXiv (Cornell University)|May 19, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 5

一句话总结

本文提出使用霍夫变换（Hough Transform）在LIGO/Virgo数据中探测迷你极端质量比旋进（mini-EMRIs）——即具有恒星级致密天体与亚太阳质量奇异致密天体的系统。结果表明，当前及未来的地面探测器可探测广泛范围的奇异致密天体质量，对于中等质量比，探测距离可达约10 Mpc，为通过引力波发现新物理提供了途径。

ABSTRACT

A compact object with a mass $\mathcal{O}(1 \sim 1000) M_{\odot}$, such as a black hole of stellar or primordial origin or a neutron star, and a much lighter exotic compact object with a subsolar mass could form a non-standard mini extreme mass ratio inspiral (EMRI) and emit gravitational waves within the frequency band of ground-based gravitational-wave detectors. These systems are extremely interesting because detecting them would definitively point to new physics. We study the capability of using LIGO/Virgo to search for mini-EMRIs and find that a large class of exotic compact objects can be probed at current and design sensitivities using a method based on the Hough Transform that tracks quasi power-law signals during the inspiral phase of the mini-EMRI system.

研究动机与目标

• 开发一种在地面引力波数据中探测迷你-EMRIs（质量比约10⁻⁵的致密天体双星）的方法。
• 解决探测亚太阳质量奇异致密天体（ECOs）所产生的长期、啁啾型信号的挑战，这些信号会逃避标准互相关滤波技术。
• 将奇异致密天体的搜寻范围从已知的恒星残骸扩展至更广的质量范围，覆盖约1 M⊙至亚太阳质量。
• 证明现有及未来的地面探测器可通过类连续波方法实现足够灵敏度，探测此类系统。

提出的方法

• 该方法利用霍夫变换追踪迷你-EMRIs的准幂律啁啾信号，其频率在数小时至数年内缓慢演化。
• 使用数据的时间-频率图，对均衡化功率谱施加阈值以识别候选信号。
• 霍夫图中的关键比值（CR）用于区分真实信号与噪声，阈值设为CR_thr = 5（置信水平95%）。
• 通过信号的频率演化特性估计啁啾质量，利用旋进信号已知的函数形式。
• 通过分析分段的时间-频率块，考虑非平稳噪声与数据间隙，使用观测时间T_obs内的FFT。
• 检测阈值基于包含噪声功率谱密度S_n(f)、信噪比与虚警概率的统计框架推导得出。

实验结果

研究问题

• RQ1 地面引力波探测器（如LIGO/Virgo）能否探测涉及亚太阳质量奇异致密天体的迷你-EMRIs？
• RQ2 在不同质量比与起始频率下，此类系统的有效探测范围是多少？
• RQ3 较轻的ECO的潮汐撕裂半径如何影响引力波信号的可探测性？
• RQ4 在非平稳噪声与数据间隙存在的情况下，霍夫变换方法能否有效追踪迷你-EMRIs的准幂律啁啾信号？
• RQ5 在当前与未来探测器灵敏度下，可探测的奇异致密天体参数空间占比是多少？

主要发现

• 对于质量为10 M⊙的主星且自旋为零的情况，探测距离在质量比约为10⁻⁵时可达约10 Mpc，而在更极端的质量比下则下降至约1 kpc。
• 探测距离在中等起始频率（如~20–30 Hz）处达到峰值，而在更高频率时因信号在频带内持续时间缩短而下降。
• 质量比约为10⁻⁵的系统可被探测至约10 Mpc的距离，表明其在银河系尺度探测中具有强大潜力。
• 较轻ECO的潮汐半径限制了可探测性：当其落入10 Hz频带时，信号能量损失，形成(m, C)平面上可探测区域的边界。
• 霍夫变换方法成功识别出高灵敏度信号，关键比值阈值为5（置信水平95%），实现稳健的候选源筛选。
• 未来的探测器（如爱因斯坦望远镜与宇宙探索者）将显著扩展探测范围，使银河系内迷你-EMRIs的探测日益可行。