[論文レビュー] Confusing head-on and precessing intermediate-mass binary black hole mergers

J. Calderón Bustillo, N. Sanchis-Gual+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、準円形の前進する中質量ブラックホール連星からの重力波信号と、頭破り衝突からの信号との間に退化があることを明らかにした。130〜310太陽質量の頭破り衝突は、標準的なパラメータ推定法において、前進する連星と区別できない。その結果、特別な波形モデルと天体物理学的事前分布を用いない限り、距離と質量の誤った推定が生じる。

ABSTRACT

We report a degeneracy between the gravitational-wave signals from quasi-circular precessing black-hole mergers and those from extremely eccentric mergers, namely head-on collisions. Performing model selection on numerically simulated signals of head-on collisions using models for quasi-circular binaries we find that, for signal-to-noise ratios consistent with Advanced LIGO observations, head-on mergers with total mass $M\in (130,310)M_\odot$ would be identified as a precessing quasi-circular intermediate-mass black hole binary, located at a much larger distance. Ruling out the head-on scenario would require to perform model selection using currently nonexistent waveform models for head-on collisions, together with the application of astrophysically motivated priors on the (rare) occurrence of those events. We show that in situations where standard parameter inference of compact binaries may report component masses inside (outside) the pair-instability supernova gap, the true object may be a head-on merger with masses outside (inside) this gap. We briefly discuss the potential implications of these findings for the recent gravitational-wave detection GW190521.

研究の動機と目的

• 頭破り連星ブラックホール合体が、重力波データ解析において前進する準円形連星と混同される可能性があるかどうかを調査すること。
• この退化が、ペア不安定性超新星ギャップの文脈において、パラメータ推定に与える影響を評価すること。
• 実際の検出において頭破り状況を除外するために、特別な波形モデルと天体物理学的事前分布の必要性を評価すること。
• この退化が、GW190521や同様の中質量ブラックホール合体イベントの解釈に与える潜在的影響を検討すること。

提案手法

• 130–310 M☉ の範囲の合体質量を持つブラックホールの頭破り衝突からの重力波信号をシミュレートすること。
• これらのシミュレート信号に対して、標準的な準円形前進する連星波形モデルを用いてモデル選択を実施すること。
• 通常のアドバンスド・リゴの信号対雑音比を想定し、標準的なパラメータ推定手法を用いて推定された質量および距離を評価すること。
• 真の信号が頭破り合体である場合と前進する連星である場合の推定結果の頑健性を評価すること。
• 将来の頭破り衝突用波形モデルの必要性と、両者の状況を区別するための天体物理学的事前分布の役割を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 頭破り連星ブラックホール合体は、重力波データにおいて統計的に前進する準円形連星と区別できないか？
• RQ2 この退化は、パラメータ推定における推定された成分質量および距離（ラジオリティ距離）にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 ペア不安定性超新星質量ギャップ付近またはその周辺のイベントの解釈に、この退化がどのように影響を与えるか？
• RQ4 天体物理学的事前分布と特別な波形モデルは、この曖昧さを解消するために果たす役割は何か？
• RQ5 この退化は、GW190521や同様の中質量ブラックホール合体候補の解釈にどのような影響を与えるか？

主な発見

• アドバンスド・リゴの感度レベルにおいて、130〜310 M☉ の頭破り合体は、標準的なパラメータ推定法で前進する準円形連星と統計的に区別できない。
• これらの頭破り合体は、真の距離よりもはるかに大きなラジオリティ距離で、常に前進する連星と誤分類される。
• 成分質量がペア不安定性超新星ギャップ内にある場合、真の系はギャップ外の質量を持つ頭破り合体である可能性がある。
• 逆に、質量がギャップ外に推定される場合、真の系はギャップ内の質量を持つ頭破り合体である可能性がある。
• 頭破り状況を除外するには、頭破り衝突用の波形モデルと天体物理学的に妥当な事前分布が必要であるが、これらは現在の標準解析パイプラインには存在しない。