[论文解读] Status of the continuous gravitational wave searches in the Advanced Detector Era

M. Bejger|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用 6

一句话总结

本文回顾了先进LIGO和Virgo时代连续引力波（CW）搜寻的现状，重点关注旋转且不对称的中子星作为引力波源。文章详细介绍了数据分析方法，包括隐马尔可夫模型和多种独立分析管道（PowerFlux、FrequencyHough、Skyhough、Time-Domain 𝒮-stat），报告了在100 Hz处低至$3 \times 10^{-25}$的95%置信度引力波应变上限，以及圆偏振情况下$1.5 \times 10^{-25}$的上限，O1运行中未检测到任何信号。

ABSTRACT

Periodic (almost monochromatic) gravitational waves emitted by rotating, asymmetric neutron stars are intriguing potential signals in the sensitivity band of Advanced LIGO and Advanced Virgo detectors. These signals are related to elastic and magnetic stresses in the neutron-star interior, as well as to various possible instabilities, and thus are interesting from the point of view of the largely-unknown neutron star structure. I will describe the main challenges related to these searches, the current state of the data-analysis methods and plans for the future.

研究动机与目标

• 评估利用先进LIGO和Virgo探测器数据进行连续引力波搜寻的当前状态。
• 解决从不对称旋转中子星发出的弱而持久的引力波信号检测挑战。
• 开发并应用能够处理未知自旋频率和频率漂移的先进数据分析技术。
• 为不同源模型和天区设定引力波应变振幅的严格上限。
• 为未来搜寻做好准备，包括多频发射和非张量型引力波的改进模型。

提出的方法

• 利用隐马尔可夫模型，以考虑连续波搜寻中自旋频率漂移和非单调自旋演化的影响。
• 采用多种独立的数据分析管道：PowerFlux（频域）、FrequencyHough、Skyhough 和 Time-Domain 𝒮-stat（时域）。
• 在第一阶段处理中采用不同的相干时间（1800秒至6天），以优化对不同类型信号的灵敏度。
• 使用辐射图响应函数$F_{+}$和$F_{\times}$，以源方向和偏振态为变量，建模探测器灵敏度。
• 应用四极矩公式估算引力波应变振幅：$h_0 \approx 4 \times 10^{-25} \left(\frac{\epsilon}{10^{-6}}\right)\left(\frac{I}{10^{45}\ \text{g cm}^2}\right)\left(\frac{f}{100\ \text{Hz}}\right)^2\left(\frac{100\ \text{pc}}{d}\right)$。
• 对异常值进行人工审查，以排除仪器干扰，并通过Einstein@Home支持后续针对性搜寻。

实验结果

研究问题

• RQ1 在先进LIGO/Virgo数据中，针对未知的不对称中子星，检测连续引力波最灵敏的数据分析方法是什么？
• RQ2 频率漂移和非单调自旋演化如何影响连续引力波信号的可检测性？
• RQ3 在O1数据运行中，连续波源的引力波应变振幅最紧的上限是多少？
• RQ4 不同数据处理管道在灵敏度和对仪器干扰的鲁棒性方面有何差异？
• RQ5 为检测中子星发出的瞬态或多重频率连续波信号，需要哪些改进？

主要发现

• O1运行中未检测到连续引力波信号，但对引力波应变振幅设定了严格的上限。
• 对于线性偏振源，95%置信度的应变振幅上限在100 Hz处达到$3 \times 10^{-25}$。
• 对于最优取向的圆偏振源，上限在170 Hz处提升至$1.5 \times 10^{-25}$。
• PowerFlux管道在170 Hz附近实现了最坏情况（线性偏振）上限约$4 \times 10^{-25}$。
• 在多个管道阶段后仍存在的异常值经人工审查后，被确认为仪器干扰，而非天体物理信号。
• 从初始LIGO/Virgo运行（如S6 Einstein@Home）中获得的经验，推动了O1和O2搜寻中现用新工具的开发。