[论文解读] The Trouble With Templates

L. M. Sampson, Neil J. Cornish+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2013

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文研究了在引力波探测中使用基于广义相对论（GR）的波形模板所带来的风险，表明某些修正引力理论——尤其是那些在并合与振荡阶段出现突变偏离或非GR行为的理论——可逃避标准模板的检测。本文提出了一种单参数后爱因斯坦（ppE）框架，并采用一种自洽方法分离并旋阶段，使得即使在高质质量系统中也能对广义相对论进行稳健检验，且ppE模板在波形复杂的情况下仍能成功识别非GR信号。

ABSTRACT

Waveform templates are a powerful tool for extracting and characterizing gravitational wave signals, acting as highly restrictive priors on the signal morphologies that allow us to extract weak events buried deep in the instrumental noise. The templates map the waveform shapes to physical parameters, thus allowing us to produce posterior probability distributions for these parameters. However, there are attendant dangers in using highly restrictive signal priors. If strong field gravity is not accurately described by General Relativity (GR), then using GR templates may result in fundamental bias in the recovered parameters, or even worse, a complete failure to detect signals. Here we study such dangers, concentrating on three distinct possibilities. First, we show that there exist modified theories compatible with all existing tests that would fail to be detected by the LIGO/Virgo network using searches based on GR templates, but which would be detected using a one parameter post-Einsteinian extension. Second, we study modified theories that produce departures from GR that turn on suddenly at a critical frequency, producing waveforms that do not naively fit into the simplest parameterized post-Einsteinian (ppE) scheme. We show that even the simplest ppE templates are still capable of picking up these strange signals and diagnosing a departure from GR. Third, we study whether using inspiral-only ppE waveforms for signals that include merger and ringdown can lead to problems in misidentifying a GR departure. We present an easy technique that allows us to self-consistently identify the inspiral portion of the signal, and thus remove these potential biases, allowing GR tests to be performed on higher mass signals that merge within the detector band. We close by studying a parameterized waveform model that may allow us to test GR using the full inspiral-merger-ringdown signal.

研究动机与目标

• 识别基于广义相对论（GR）的模板在探测修正引力理论引力波信号时的局限性。
• 评估在关键频率处出现的GR突然偏离是否能通过标准参数化后爱因斯坦（ppE）模板逃避检测。
• 开发一种方法，用于在并合过程发生于探测器带宽内的信号中分离出并旋阶段，以减少GR检验中的偏差。
• 评估仅使用仅并旋阶段ppE波形是否可能误导GR检验，当信号包含并合与振荡阶段时。
• 提出一种全参数化波形模型，以在整个并旋-并合-振荡信号范围内测试GR。

提出的方法

• 作者分析了与当前测试一致但与广义相对论不一致的修正引力理论，重点研究其在使用LIGO/Virgo探测器和GR模板时的可探测性。
• 他们采用单参数后爱因斯坦（ppE）扩展来建模GR的偏离，并测试其对具有突变频率依赖性偏离信号的敏感性。
• 提出一种自洽技术，用于识别引力波信号中的并旋部分，即使并合发生在探测器敏感频带内亦可实现。
• 该方法基于波形形态将信号划分为不同阶段，从而仅在并旋段使用ppE模板，避免非GR动力学带来的偏差。
• 他们在多种修正引力情景下比较了GR模板与ppE模板的检测性能，包括那些无法被标准ppE形式良好描述的情景。
• 提出一种全参数化波形模型，用于利用完整的并旋-并合-振荡信号测试GR，避免对信号分段的先验假设。

实验结果

研究问题

• RQ1 即使通过了所有当前测试的修正引力理论，是否仍可能在使用基于广义相对论的模板时被LIGO/Virgo探测器遗漏？
• RQ2 在关键频率处出现的突然、频率依赖性偏离是否会使标准ppE框架失效，而ppE是否仍能检测到此类信号？
• RQ3 对包含并合与振荡阶段的信号，仅使用仅并旋阶段ppE波形是否可能导致对GR违反的误判？
• RQ4 当并合发生在探测器带宽内时，是否能够可靠地分离出引力波信号的并旋阶段？
• RQ5 是否能够通过全参数化波形模型在不预先假设信号分段的前提下，有效测试整个并旋-并合-振荡信号中的广义相对论？

主要发现

• 存在与当前测试一致但使用标准GR模板无法被LIGO/Virgo探测到的修正引力理论，但可通过单参数后爱因斯坦（ppE）扩展被探测到。
• 即使在关键频率处出现突变、非GR行为的信号——超出简单ppE模型的适用范围——仍可使用最简ppE模板诊断为GR的偏离。
• 所提出的自洽方法成功分离出并合发生在探测器带宽内的信号的并旋阶段，使得在不引入并合与振荡动力学偏差的前提下实现准确的GR检验成为可能。
• 对包含并合与振荡阶段的信号，仅使用仅并旋阶段ppE波形可能导致显著的参数估计偏差，但该问题可通过相位分离技术得到缓解。
• 全参数化波形模型可实现对整个并旋-并合-振荡信号的一致GR测试，为未来引力波观测提供稳健的检验框架。