РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДАТЕЛЬНОГО ПРОГОНА O3 GEO-KAGRA

Источник фото: skyandtelescope.org

ВВЕДЕНИЕ

KARGA — это новый детектор гравитационных волн (GW) в Японии, который недавно присоединился к международной сети детекторов вместе с Advanced LIGO и Advanced Virgo с октября 2019 года. KAGRA планировал начать совместные наблюдения с Advanced LIGO и Advanced Virgo в прошлом году. Однако из-за пандемии COVID-19 Advanced LIGO и Advanced Virgo были вынуждены закрыться 27 марта 2020 года. К счастью, KAGRA нашла партнера, GEO 600 ( сокращенно в этом документе как GEO) в Германии, которая постоянно работает в рамках сотрудничества LIGO.

В апреле 2020 года GEO и KAGRA провели совместные наблюдения в течение двух недель. Мы называем этот совместный сеанс наблюдений GEO-KAGRA O3GK. Результаты представлены в научной статье. Из-за слабой чувствительности обоих детекторов об уверенном обнаружении ГВ не сообщается. Тем не менее, в течение двух недель астрономы наблюдали несколько гамма-всплесков (GRB) , и коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) провела серию связанных поисков GW: поиски слияния двойных нейтронных звезд (BNS) по всему небу и общие не моделированные всплески, а также целенаправленный поиск компактных бинарных слияний (CBC) и не моделированных всплесков, связанных с гамма-всплесками, о которых сообщалось во время прогона (целевой поиск GRB ).

Как и ожидалось, учитывая чувствительность детекторов, по полученным данным не было идентифицировано никаких сигналов GW. Тем не менее, эти анализы показывают, что усилия по анализу готовы к включению данных KAGRA, которые будут становиться все более важными по мере того, как KAGRA приближается к своей проектной чувствительности.

КАRGА И ГЕО 600

Прогон O3GK был первым совместным наблюдением KAGRA с другим детектором GW. KAGRA — это лазерный интерферометрический детектор GW с 3-километровыми плечами, расположенный в Камиоке, Гифу, Япония. KAGRA строится под землей в шахте и использует криогенные зеркала для четырех тестовых масс, что снижает сейсмические и тепловые шумы. К апрелю 2019 года большая часть компонентов интерферометра была установлена, и начались пуско-наладочные работы (настройка детекторов для повышения их чувствительности). После ввода в эксплуатацию чувствительность KAGRA была улучшена и к концу марта 2020 года достигла наблюдаемого диапазона BNS примерно в 1 мегапарсек (3,26 миллиона световых лет). чувствительность конструкции.

GEO — один из старейших детекторов GW интерферометрической конструкции, и, будучи детектором меньшего размера с 600-метровыми плечами, он играет важную роль в качестве испытательного полигона для новых технологий детекторов. Чувствительность детекторов GW ограничена шумом, создаваемым приборами. Помимо минимального уровня шума, который практически не меняется во времени, в данных присутствуют кратковременные инструментальные артефакты, которые мы называем сбоями. Несмотря на то, что прилагаются большие усилия, чтобы сделать шум как можно более низким и свободным от сбоев, сбои могут имитировать кратковременные сигналы GW. Запуская два детектора одновременно, мы значительно уменьшаем количество глюков, которые можно принять за реальные сигналы.

На более низких частотах KAGRA более чувствительна, а на более высоких частотах GEO более чувствительна. Во время наблюдения KAGRA могла обнаруживать спирали BNS на расстоянии примерно 0,8 мегапарсека (2,6 миллиона световых лет), а GEO могла делать это на расстоянии около 1,1 мегапарсека (3,6 миллиона световых лет).

ПОИСКИ ПО ВСЕМУ НЕБУ

Коллаборация LVK выполнила бинарные и пакетные поиски по всему небу . Бинарный поиск по всему небу представляет собой поиск с согласованным фильтром , при котором данные сравниваются с набором эталонных волновых форм , основанных на теоретических моделях GW, излучаемых CBC. Поиск всплесков по всему небу — это поиск не моделированных переходных сигналов GW. Результаты двух поисков по всему небу показывают, что сигналов GW обнаружено не было.

ПОИСКИ, ОРИЕНТИРОВАННЫЕ НА GRB

Во время наблюдения произошло несколько интересных астрономических событий, всплесков, которые потенциально могли сопровождать ГВ. Вокруг этих событий был проведен более тщательный поиск данных. Четыре гамма-всплеска, состоящие из двух длинных гамма-всплесков (длительностью более двух секунд) и двух коротких гамма-всплесков (длительностью менее двух секунд), были обнаружены, что совпало с научными данными, полученными как в KAGRA, так и в GEO. Коллаборация LVK выполнила поиск бинарных и всплесков , нацеленных на гамма-всплески , которые ищут временной диапазон и местоположение на небе, ограниченные электромагнитными наблюдениями гамма-всплесков. Коллаборация LVK пришла к выводу, что нет никаких свидетельств излучения GW, связанного с любым из четырех гамма-всплесков, проанализированных как с помощью бинарного, так и всплескового поиска.

Один из проанализированных гамма-всплесков, GRB 200415A, был связан с гигантской вспышкой магнетара в галактике Скульптор (NGC 253) на частоте 3,5 мегапарсека. Расстояние исключения , основанное на нашем анализе, составляет всего несколько килопарсеков , и этого недостаточно, чтобы исключить прародителя CBC и проверить гипотезу магнитарной гигантской вспышки. Для каждого GRB рассчитывается исключающее расстояние.

БУДУЩИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ

С помощью представленного здесь анализа коллаборация LVK продемонстрировала перспективы того, что KAGRA станет частью сети детекторов GW. Детекторы LVK теперь отключены для улучшения перед предстоящим четвертым запуском наблюдений (O4), который в настоящее время планируется начать в середине декабря 2022 года

Как только KAGRA заработает в проектной конфигурации, он достигнет чувствительности, сравнимой с детекторами Advanced LIGO и Advanced Virgo; Затем KAGRA будет играть важную роль в обнаружении сигналов GW. Жизненно важно, чтобы больше детекторов стало частью сети с точки зрения восстановления большего количества информации и улучшения нашей способности точно определять местоположение источника. Тот факт, что плечи KAGRA ориентированы совершенно иначе, чем у других детекторов, делает его вклад еще более важным.

ГЛОССАРИЙ

• Поиски по всему небу : это стандартные поиски. Для данных O3GK коллаборация LVK выполнила поиск по согласованному фильтру для слияний BNS и общих не моделированных всплесков.
• Двойная нейтронная звезда : система, состоящая из двух нейтронных звезд, находящихся на близкой орбите друг вокруг друга.
• Дальность наблюдения двойной нейтронной звезды: стандартная мера чувствительности интерферометра, представляющая собой среднее расстояние, на котором может быть обнаружена спираль двойной системы, состоящей из двойных нейтронных звезд, с отношением сигнал-шум согласованного фильтра, равным 8.
• Черная дыра : область чрезвычайно искривленного пространства-времени, вызванная чрезвычайно компактной массой, где гравитация настолько сильна, что не позволяет чему-либо, включая свет, покинуть ее.
• Поиск всплеска : Поиск совпадающей избыточной энергии в сети детекторов GW, который работает без предположения о конкретной модели формы волны.
• Компактный объект : чрезвычайно плотный астрофизический объект, такой как черная дыра, нейтронная звезда или белый карлик .
• Расстояние исключения : Расстояние исключения — это расстояние, в пределах которого 90% совокупности смоделированных сигналов будут восстановлены, по крайней мере, так же уверенно, как и самое громкое событие-кандидат, вызванное шумом детектора во время гамма-всплеска.
• Частота ложных тревог : эта частота измеряет, как часто флуктуации шума детектора могут генерировать сигнал, аналогичный рассматриваемому событию-кандидату. Чем меньше эта частота ложных тревог, тем больше вероятность того, что событие-кандидат будет астрофизическим.
• Гамма-лучи : фотоны чрезвычайно высокой энергии, даже выше по энергии, чем рентгеновские лучи.
• Гамма-всплеск (GRB) : вспышка гамма-излучения, исходящая от удаленного астрофизического источника и продолжающаяся до сотен секунд, во многих случаях даже менее нескольких секунд.
• GEO 600 : Детектор GEO представляет собой наземный интерферометр, расположенный в Ганновере, Германия.
• Гравитационная волна : представление эволюции сигнала гравитационной волны во времени.
• Целевые поиски GRB : это целевые поиски сигналов GW, связанных с GRB, о которых сообщалось во время запуска. Ориентируясь на время и положение гамма-всплесков на небе, мы потенциально можем обнаружить более слабые связанные с ними сигналы GW, чем те, которые были бы идентифицированы при поиске по всему небу. Для данных O3GK коллаборация LVK выполнила поиск по согласованному фильтру для слияний BNS и NSBH и общих не моделированных всплесков.
• KAGRA : Детектор KAGRA представляет собой подземный интерферометр, расположенный в шахте Камиока, Гифу, Япония. Это тоже лазерный интерферометр, но с плечами длиной 3 км и криогенно охлаждаемыми зеркалами.
• Килопарсек (кпк) : в тысячу раз больше парсека, что равно примерно 3,26 кило световых лет.
• Световой год : Единица расстояния, эквивалентная расстоянию, которое свет проходит за один год. Световой год примерно равен 9,46 трлн километров (или примерно 5,88 трлн миль).
• LIGO : Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория состоит из двух 4-километровых детекторов гравитационных волн длиной 4 км, разделенных примерно 3000 км (1900 миль), расположенных в Ливингстоне, штат Луизиана, и Хэнфорде, штат Вашингтон, США.
• Long GRB : Продолжительность больше 2 секунд. Считается, что это происходит, когда ядра массивных звезд коллапсируют.
• Магнетар : нейтронная звезда, сильное магнитное поле которой вызывает необычное поведение, например, короткие вспышки.
• Магнетар Гигантская вспышка : гораздо более крупная версия короткого взрыва, излучающая меньше энергии, чем Солнце за 100 000 лет, менее чем за секунду.
• Согласованный фильтр : метод обнаружения сигналов, скрытых в зашумленных данных. Шаблоны форм гравитационных волн, рассчитанные на основе общей теории относительности, сканируются по данным и отключаются, когда в данных обнаруживаются совпадающие шаблоны.
• Мегапарсек (Мпк) : единица измерения расстояния. В миллион раз больше парсека, что равно примерно 3,26 миллионам световых лет.
• Нейтронная звезда : Чрезвычайно плотный объект, оставшийся после коллапса массивной звезды. Звезда настолько плотная, что атомы не могут оставаться отдельными, и вся звезда аналогична гигантскому ядру. Они весят примерно в 1-2 раза больше массы Солнца, но имеют радиус всего около 10 километров.
• Двойная система «нейтронная звезда-черная дыра»: система, состоящая из одной черной дыры и одной нейтронной звезды, находящихся на близкой орбите друг вокруг друга.
• Шум : Колебания сигнала измерения гравитационных волн из-за различных инструментальных и экологических эффектов. Чувствительность детектора гравитационных волн ограничивается шумом.
• Прогон наблюдений : период времени, в течение которого детекторы гравитационных волн собирают данные наблюдений.
• Парсек (пк) : единица расстояния, широко используемая в астрономии, равная примерно 3,26 световым годам. Это соответствует примерно 31 триллиону километров.
• Чувствительность : описание способности детектора обнаруживать сигнал. Детекторы с более низким уровнем шума способны обнаруживать более слабые сигналы, и поэтому говорят, что они имеют более высокую (или большую) чувствительность.
• Short GRB : продолжительность менее 2 секунд. Считается, что это происходит из-за слияния компактных объектов (BNS или NSBH).
• Отношение сигнал-шум : отношение мощности сигнала к мощности шума, используемое для сравнения уровня сигнала с уровнем шума. Он измеряет мощность сигнала по сравнению с источниками шума, которые потенциально могут его загрязнить.
• Деформация : изменение длины плеча детектора из-за деформации пространства-времени гравитационными волнами, проходящими через каждый детектор, деленное на общую длину плеча.
• Virgo : Детектор Virgo представляет собой наземный интерферометр, расположенный в Кашине, Италия, недалеко от Пизы.