[論文レビュー] 4-OGC: Catalog of gravitational waves from compact-binary mergers

A. Nitz, S. Kumar+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 79被引用数 21

ひとこと要約

本論文は、2015年から2020年までのAdvanced LIGOおよびVirgoのO1–O3b観測期間中に検出された94件のコンパクト二重星合体（90 BBH、2 NSBH、2 BNS）の包括的分析である4-OGCカタログを提示する。O3bの後半において7件の新しい高信頼性BBH検出が含まれる。主な貢献は、機器キャリブレーションの不確実性を反映した更新されたパrameter推定値の組み込みと、全サブスレッショルド候補の収録であり、GW200318_191337は赤方偏移0.84の可能性のある遠方合体と特定されている。

ABSTRACT

We present the fourth Open Gravitational-wave Catalog (4-OGC) of binary neutron star (BNS), binary black hole (BBH) and neutron star-black hole (NSBH) mergers. The catalog includes observations from 2015-2020 covering the first through third observing runs (O1, O2, O3a, O3b) of Advanced LIGO and Advanced Virgo. The updated catalog includes 7 BBH mergers which were not previously reported with high significance during O3b for a total of 94 observations: 90 BBHs, 2 NSBHs, and 2 BNSs. The most confident new detection, GW200318_191337, has component masses $49.1^{+16.4}_{-12.0} extrm{M}_\odot$ and $31.6^{+12.0}_{-11.6} extrm{M}_\odot$; its redshift of $0.84^{+0.4}_{-0.35}$ ($90\%$ credible interval) may make it the most distant merger so far. We estimate the merger rate of BBH sources, assuming a powerlaw mass distribution containing an additive Gaussian peak, to be $16.5_{-6.2}^{+10.4} (25.0_{-8.0}^{+12.6})$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$ at a redshift of $z=0$ ($0.2$). For BNS and NSBH sources, we estimate a merger rate of $200^{+309}_{-148}$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$ and $19^{+30}_{-14}$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$, respectively, assuming the known sources are representative of the total population. We provide reference parameter estimates for each of these sources using an up-to-date model accounting for instrumental calibration uncertainty. The corresponding data release also includes our full set of sub-threshold candidates.

研究の動機と目的

• Advanced LIGOおよびAdvanced Virgoの最初の4回の観測期間中に検出されたコンパクト二重星合体からの重力波信号の包括的かつ公開可能なカタログを提供すること。
• 重力波信号の解析に機器キャリブレーションの不確実性を組み込むことで、パrameter推定を改善すること。
• O3bの後半（O3b）において以前に報告されていなかった新しい高信頼性BBH合体を同定・検証すること。
• 観測されたサンプルとパワーロー法＋ガウスピーク質量モデルを用いて、BBH、BNS、NSBH系の集団レベルの合体レートを推定すること。
• 全サブスレッショルド候補を公開し、電磁波、ニュートリノ、光学データなどの異なる天文学的データセットと連携したフォローアップ研究を支援すること。

提案手法

• 2015年から2020年までの公開LIGOおよびVirgoデータの深層アーカイブ検索を実施し、O1、O2、O3a、O3bの各観測期間をカバーした。
• ベイズ推論フレームワークを用いて、成分質量、赤方偏移、スピンなどのソースパラメータの事後分布を計算し、キャリブレーション不確実性のマージナル化を実施した。
• 信頼性の高い検出を定義するため、P_astro > 0.5 または誤報レート < 100年に1回の基準を用いた。
• BBH合体レートを、高質量系を説明するためのガウスピークを加えたパワーロー法質量分布でモデル化した。
• 同様の尤度フレームワークを用いて、観測された源が全集団を代表すると仮定し、BNSおよびNSBH合体レートを推定した。
• 全サブスレッショルド候補と完全なパラメータ推定値を、コミュニティ全体の利用を目的とした併行データリリースで公開した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Advanced LIGOおよびAdvanced Virgoの最初の4回の観測期間中に検出されたコンパクト二重星合体信号の全セットは何か？
• RQ2 O3bのデータセグメントで新たに同定された高信頼性BBH合体はどれか？ これらは以前に報告されていなかった。
• RQ3 機器キャリブレーションの不確実性は、重力波源パラメータの事後推定値にどのように影響するか？
• RQ4 ブラックホール二重星、中性子星二重星、中性子星–ブラックホール系の集団レベルの合体レートは何か？
• RQ5 サブスレッショルド候補は、ガンマ線バースト、高エネルギーニュートリノ、光学的トランスジェントなどの異なる天文学的データセットと連携したフォローアップ研究にどのように活用できるか？

主な発見

• 4-OGCカタログには、94件の信頼性の高いコンパクト二重星合体検出が含まれる：90件の二重ブラックホール、2件の中性子星–ブラックホール系、2件の中性子星二重星。
• O3bで7件の新しい高信頼性BBH合体が検出された。GW200318_191337は、成分質量が49.1⁺¹⁶.⁴₋₁₂.⁰ M☉および31.6⁺¹².⁰₋₁₁.⁶ M☉で、赤方偏移が0.84⁺⁰.⁴₋₀.³⁵であり、最も遠方の合体とされる可能性がある。
• パワーロー法質量分布にガウスピークを加えた仮定のもと、BBH合体レートはz=0で16.5⁺¹⁰.⁴₋⁶.² Gpc⁻³ yr⁻¹、またはz=0.2で25.0⁺¹².⁶₋⁸.⁰ Gpc⁻³ yr⁻¹と推定された。
• 観測サンプルに基づき、BNS合体レートは200⁺³⁰⁹₋¹⁴⁸ Gpc⁻³ yr⁻¹、NSBHレートは19⁺³⁰₋¹⁴ Gpc⁻³ yr⁻¹と推定された。
• カタログは、機器キャリブレーション不確実性を反映した最新のモデルを用いて、全94源の参照パラメータ推定値を提供し、事後分布の正確性を向上させた。
• 完全なデータリリースには、全サブスレッショルド候補が含まれており、将来のガンマ線バースト、高エネルギーニュートリノ、光学的トランスジェントとの相関研究を可能にしている。