[論文レビュー] Boxing Day Surprise: Higher Multipoles and Orbital Precession in GW151226

Horng Sheng Chia, Seth Olsen+5 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、軌道の前進と高次モーメントを含む波形モデルを用いて、重力波イベント GW151226 を再分析し、これまで報告されていなかった低質量比解を明らかにした。この解では、質量比が約 29 M⊙ と約 4.3 M⊙ の二重ブラックホールであり、強いスピン誘発性前進を示し、下位ブラックホール質量ギャップ内に位置する。この新たなモードは、標準的な高質量比解よりもログ尤度が6ポイント高いが、これは天体物理学的解釈を顕著に変える。

ABSTRACT

We present a reanalysis of GW151226, the second binary black hole merger discovered by the LIGO-Virgo Collaboration. Previous analysis showed that the best-fit waveform for this event corresponded to the merger of a $\sim 14 \, M_\odot$ black hole with a $\sim 7.5 \, M_\odot$ companion. In this work, we perform parameter estimation using a waveform model that includes the effects of orbital precession and higher-order radiative multipoles, and find that the mass and spin parameters of GW151226 have bimodal posterior distributions. The two modes are separated in mass ratio, $q$: the high-$q$ mode ($0.4 \lesssim q < 1$) is consistent with the results reported in the literature. On the other hand, the low-$q$ mode ($q \lesssim 0.4$), which describes a binary with component masses of $\sim 29 \, M_\odot$ and $\sim \, 4.3 M_\odot$, is new. The low-$q$ mode has several interesting properties: (a) the secondary black hole mass may fall in the lower mass gap of astrophysical black hole population; and (b) orbital precession is driven by the primary black hole spin, which has a dimensionless magnitude as large as $\sim 0.88$ and is tilted away from the orbital angular momentum at an angle of $\sim 47^\circ$. The new low-$q$ mode has a log likelihood that is about six points higher than that of the high-$q$ mode, and can therefore affect the astrophysical interpretation of GW151226. Crucially, we show that the low-$q$ mode disappears if we neglect either higher multipoles or orbital precession in the parameter estimation. More generally, this work highlights how incorporating additional physical effects into waveform models used in parameter estimations can alter the interpretation of gravitational-wave sources.

研究の動機と目的

• 波形モデルに軌道の前進と高次重力波モーメントを含めることで、GW151226 のパラメータ推定を再評価すること。
• これまで無視されてきた物理的効果が、イベントの代替的天体物理学的解釈をもたらす可能性があるかどうかを調査すること。
• 新しい解が、特に前進やモーメントの省略といったモデル簡略化に対して頑健であるかどうかを特定すること。
• 新しい低質量比モードが標準的な高質量比解に対して統計的に有意であるかどうかを評価すること。

提案手法

• 軌道の前進と高次放射モーメントを含む波形モデルを用いて、ベイズ的パラメータ推定フレームワークを適用する。
• 波形モデルはスピン-軌道結合と放射の軸対称性の欠如を考慮し、前進する二重星の正確な表現を可能にする。
• マルコフ連鎖モンテカルロ法を用いて、質量比、スピン、軌道の向きの事後分布を計算する。
• 新しい解の頑健性をテストするため、前進または高次モーメントを省いた簡易モデルとの尤度を比較する。
• ログ尤度を定量的に評価し、低-q モードと高-q モードを比較することで統計的優位性を評価する。
• 物理的効果の寄与を分離するために、モデルから前進またはモーメントを体系的に除外する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 波形モデルに軌道の前進と高次モーメントを含めることで、GW151226 に対して明確で統計的に優位な解が得られるか？
• RQ2 質量がそれぞれ約 29 M⊙ と約 4.3 M⊙ の低質量比二重星が、データに整合する妥当な説明であるか？
• RQ3 新しい低-q モードにおいて、主ブラックホールのスピンがどのように軌道の前進を駆動しているか？
• RQ4 新しい解の統計的有意性は、標準的な高質量比解と比較してどの程度高いか？
• RQ5 低-q モードはモデルの複雑さに起因する偽像であるのか、それとも前進やモーメントが省かれていない限り持続するのか？

主な発見

• 軌道の前進と高次モーメントの組み込みにより、GW151226 の質量比における事後分布が二峰性を示し、q ≲ 0.4 の以前報告のなかった低質量比モードが判明した。
• 低-q モードは、質量がそれぞれ約 29 M⊙ と 4.3 M⊙ の二重星に対応し、二次的ブラックホールが下位ブラックホール質量ギャップ内に位置する。
• 低-q モードの主ブラックホールはスピン大きさが ∼0.88 であり、軌道角運動量から約 47° 傾いているため、強い前進を引き起こす。
• 低-q モードのログ尤度は高-q モードよりも約6ポイント高いが、これは統計的支援の強さを示している。
• 波形モデルから軌道の前進または高次モーメントのいずれかを省くと、低-q モードは消滅するため、その存在に両者の必要性が確認された。
• 本研究は、波形モデルに高度な物理的効果を組み込むことで、重力波イベントの天体物理学的解釈が根本的に変化しうることを示している。