Zwei Neutronensterne kollidieren. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center/CI Lab der NASA
In den 2030er Jahren werden Gravitationswellendetektoren tausendmal empfindlicher sein als Advanced LIGO, Jungfrau und KAGRA. Das Netzwerk der Observatorien der „dritten Generation“ (3G) wird mit ziemlicher Sicherheit den Cosmic Explorer (US), das Einstein-Teleskop (EU) umfassen und kann ein Observatorium wie ein Observatorium der südlichen Hemisphäre umfassen.
Diese erstaunlichen Instrumente werden jede Binärdatei sehen Neutronenstern Verschmelzung im Universum und die meisten binären Schwarzen Löcher zu Rotverschiebungen jenseits der 10: Hunderttausende, möglicherweise Millionen von auflösbaren Signalen pro Jahr. Viele dieser Signale werden extrem laut sein, mit Signal-Rausch-Verhältnissen von Tausenden, was Durchbrüche in der grundlegenden Physik und Kosmologie ermöglicht.
Und hierin liegt eine Herausforderung!
Wie extrahieren wir alle Informationen aus diesen Signalen? Oberflächlich betrachtet scheint es eine einfache Aufgabe zu sein: Fahren Sie einfach mit der Parameterschätzung fort, wie wir es bereits tun! Es stellt sich jedoch heraus, dass unsere aktuellen Methoden zur Parameterschätzung nicht so gut skalieren, wenn Signale sehr laut und sehr lange im Band sind.
Um zu sehen, warum, haben wir uns ein binäres Neutronenstern-Verschmelzungssignal „GW370817“ vorgestellt, das etwa 40 Mpc von der Erde ausgeht – ungefähr die Entfernung von GW170817 (vorausgesetzt, 3G-Detektoren sind im Jahr 2037 online, werden wir garantiert etwa tausend binäre Neutronen beobachten Sternverschmelzungen am 17. August 2037!) Ein Netzwerk von 3G-Detektoren würde GW370817 90 Minuten lang mit einem erstaunlichen Signal-Rausch-Verhältnis von 2500 beobachten. Die Analyse dieses Signals ist ungefähr tausendmal rechenintensiver als die Analyse eines Signals in der heutigen Detektoren – nach unseren Schätzungen auf der Rückseite würde es etwa 1000 Jahre dauern!
Diese unerschwingliche Analysezeit stellt eine Hürde für die Astrophysik mit 3G-Daten dar und ist das Problem, das wir in unserem Artikel lösen. Um die Rechenzeit zu verkürzen, haben wir „Modelle reduzierter Ordnung“ von Gravitationswellensignalen entwickelt, die es uns ermöglichen, anhand stark komprimierter Daten die Eigenschaften von binären Neutronensternen nahezu verlustfrei abzuleiten Genauigkeit. Wir haben die Rechenkosten für die Inferenz von 3G-Daten um den Faktor 13,000 reduziert. Zusammen mit einer Prise parallelem Computing sind wir in der Lage, die Datenanalyse in wenigen Stunden durchzuführen. Das sind gute Nachrichten für die Astrophysik im 3G-Zeitalter.
Während die 2030er und 3G-Detektoren noch einige Jahre entfernt sind, sind unsere Ergebnisse und Methoden für eine Vielzahl von theoretischen und Designstudien nützlich, die im Gleichschritt mit der Entwicklung der Detektortechnologie vorangetrieben werden. Für diejenigen, die alt genug sind, sich daran zu erinnern, begannen 2005 die ersten LISA-Mock-Data-Herausforderungen, die einen Eindruck davon vermitteln, wie viel Erkundungsarbeit erforderlich ist, bevor ein Detektor betriebsbereit ist.
Vorerst gibt es viele interessante astrophysikalische Fragen, über die wir im Zusammenhang mit 3G-Detektoren nachdenken können: Wie gut werden wir die Neutronenstern-Zustandsgleichung und die maximale Masse von Neutronensternen messen können? Und was sagt uns das über extreme Materie? Wie gut können Neutronensternspins gemessen werden und kann uns dies etwas über Supernova-Mechanismen sagen? etc…Unsere Ergebnisse und Methode werden diese Art von theoretischer Arbeit erleichtern, indem sie es uns ermöglichen, robuste Rückschlüsse auf die Eigenschaften von binären Neutronensternen in simulierten 3G-Daten durchzuführen.
Referenz: „Bayes'sche Inferenz für Gravitationswellen from binäre Neutronensternfusionen in Observatorien der dritten Generation“ von Rory Smith, Ssohrab Borhanian, Bangalore Sathyaprakash, Francisco Hernandez Vivanco, Scott Field, Paul Lasky, Ilya Mandel, Soichiro Morisaki, David Ottaway, Bram Slagmolen, Eric Thrane, Daniel Töyrä und Salvatore Vitale, 20. August 2021, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.081102
