[論文レビュー] Capability for detection of GW190521-like binary black holes with TianQin

Shuai Liu, Liang-Gui Zhu+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 134被引用数 31

ひとこと要約

本稿は、TianQinがGW190521に類似した中質量ブラックホール連星を検出する能力を評価し、SNR > 8で最大12件の源を解像可能であり、合体時刻（1秒以内）および天の川位置（1 deg²以内）を高精度に局在化できることを示している。SNR > 12の条件下でも、TianQinはこれらの質量の大きな系を検出可能であり、ハッブル定数を10%の精度で制約可能であり、相対精度約10⁻⁴で軌道離心率を測定することで形成経路を区別可能である。

ABSTRACT

The detection of GW190521 gains huge attention because it is the most massive binary that LIGO and Virgo ever confidently detected until the release of GWTC-3 (GW190426_190642 is more massive), and it is the first black hole merger whose remnant is believed to be an intermediate mass black hole. Furthermore, the primary black hole mass falls in the black hole mass gap, where the pair-instability supernova prevents the formation of astrophysical black holes in this range. In this paper, we systematically explore the prospect of TianQin on detecting GW190521-like sources. For sources with small orbital eccentricities, (i) TianQin could resolve up to a dozen of sources with signal-to-noise ratio (SNR) larger than 8. Even if the signal-to-noise ratio threshold increases to 12, TianQin could still detect GW190521-like binaries. (ii) The parameters of sources merging within several years would be precisely recovered. The precision of coalescence time and sky localization closes to $1\ { m s}$ and $1\ { m deg^{2}}$ respectively. This indicates that TianQin could provide early warnings for ground-based gravitational waves detectors and electromagnetic telescopes for these sources. Furthermore, TianQin could distinguish the formation channels of these sources by measuring the orbital eccentricities with a relative precision of $10^{-4}$. (iii) TianQin could constrain the Hubble constant with a $10\%$ precision with GW190521-like sources. Finally, for very eccentric GW190521-like sources, although their gravitational wave signal might be too weak for TianQin to detect, even the null detection of TianQin could still present a significant contribution to the understanding of the underlying science.

研究の動機と目的

• TianQinが、IMBH形成にとって最も質量が大きく、重要な源の一つであるGW190521に類似した連星ブラックホールを検出できる能力を評価すること。
• 特に合体時刻と天の川位置のパラメータ推定精度を調査し、地上型検出器および電波望遠鏡のための早期警戒を可能にする。
• 孤立した連星進化と動的過程の違いを示す軌道離心率の測定により、GW190521に類似した連星の形成経路を区別できる可能性を検討すること。
• GW190521に類似した源を標準ソナーとして用いることで、特にハッブル定数を含む宇宙論的パラメータ推定への寄与を評価すること。
• 検出不能な高離心率系であっても、null検出が形成モデルや環境的要因を制約する上で科学的価値を持つことを評価すること。

提案手法

• 初期分析として、小さな軌道離心率（e ≲ 0.1）を仮定し、3PN波形モデルに離心率を組み込んだもので、GW190521に類似した連星からの重力波信号をシミュレートする。
• TianQinの感度曲線（[95]より）を用いたマッチドフィルタリングを、5年間の観測期間に適用し、『3か月稼働、3か月停止』の運用サイクルを想定し、単一および二重星座構成の両方を検討する。
• 標準的なマッチドフィルタのSNR式を用いて信号対雑音比（SNR）を推定し、パラメータ推定精度のためのフルフィッシャー情報行列を組み込む。
• ベイズ的パラメータ推定をフィッシャー行列近似を用いて実施し、合体時刻、天の川位置、その他のパラメータの不確実性を計算する。
• ハッブル定数の制約を評価する際には、GW190521に類似した源を標準ソナーとして扱い、パラメータ回復から得られる距離から赤方偏移距離を推定する。
• 離心率測定精度を評価するため、将来的な地上型検出器との共同観測を想定し、フィッシャー行列を用いて離心率の相対誤差を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TianQinは、SNR > 8およびSNR > 12の条件下で、いくつのGW190521に類似した連星ブラックホール源を検出可能か？
• RQ2 TianQinは、合体するGW190521に類似した連星ブラックホールに対して、1秒未満の時刻精度および1度平方未満の天の川位置精度を達成可能か？これにより、地上型検出器および電波望遠鏡のための早期警戒が可能か？
• RQ3 TianQinは、相対精度約10⁻⁴で軌道離心率を測定することで、孤立した連星進化（低離心率）と動的過程（測定可能な離心率）による形成経路をどれほど明確に区別できるか？
• RQ4 TianQinは、GW190521に類似した源を標準ソナーとして用いることで、ハッブル定数をどの程度の精度で制約可能か？
• RQ5 高離心率のGW190521に類似した系が検出不能であっても、TianQinによるnull検出が、形成メカニズムや環境的効果を理解する上でどのような科学的価値を持つのか？

主な発見

• TianQinは、データギャップを伴う現実的な観測条件下でも、SNR > 8のGW190521に類似した連星ブラックホール源を最大12件まで検出可能である。
• 数年以内に合体する源に対して、TianQinは合体時刻を約1秒の精度で、天の川位置を1 deg²以内の精度で局在化可能である。
• SNRの閾値を12に引き上げても、TianQinはGW190521に類似した連星を検出可能であり、最も質量の大きな系に対しても高い感度を示している。
• TianQinは、相対精度10⁻⁴で軌道離心率を測定可能であり、孤立した連星進化（低離心率）と動的過程（測定可能な離心率）による連星の形成経路を明確に区別可能である。
• GW190521に類似した源は標準ソナーとして利用可能であり、パラメータ回復から得られる距離推定に基づき、ハッブル定数を約10%の精度で制約可能である。
• 高離心率のGW190521に類似した系が信号が弱いために検出不能であっても、TianQinによるnull検出は、形成モデルや環境的効果を制約する上で顕著な科学的価値を持つ。