[論文レビュー] Correlations in parameter estimation of low-mass eccentric binaries: GW151226 & GW170608

E. O’Shea, P. Kumar|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 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、準円形波形テンプレートを用いた場合に、低質量連星ブラックホール系における離心率がパラメータ推定に与えるバイアスを調査する。離心率が増加するにつれ、チルプマスが最大で10% overestimated され、質量比は1に近づく傾向にある。GW151226およびGW170608の実データ解析では、非回転パリティの下で誤った離心率信号が検出され、整合性のあるスピン、離心率モデルを用いた場合、それぞれe < 0.15およびe < 0.12の上限が得られた。

ABSTRACT

The eccentricity of binary black hole mergers is predicted to be an indicator of the history of their formation. In particular, eccentricity is a strong signature of dynamical formation rather than formation by stellar evolution in isolated stellar systems. It has been shown that searches for eccentric signals with quasi-circular templates can lead to loss of SNR, and some signals could be missed by such a pipeline. We investigate the efficacy of the existing quasi-circular parameter estimation pipelines to determine the source parameters of such eccentric systems. We create a set of simulated signals with eccentricity up to 0.3 and find that as the eccentricity increases, the recovered mass parameters are consistent with those of a binary with up to a $\approx 10\%$ higher chirp mass and mass ratio closer to unity. We also employ a full inspiral-merger-ringdown waveform model to perform parameter estimation on two gravitational wave events, GW151226 and GW170608, to investigate this bias on real data. We find that the correlation between the masses and eccentricity persists in real data, but that there is also a correlation between the measured eccentricity and effective spin. In particular, using a non-spinning prior results in a spurious eccentricity measurement for GW151226. Performing parameter estimation with an aligned spin, eccentric model, we constrain the eccentricities of GW151226 and GW170608 to be $<0.15$ and $<0.12$ respectively.

研究の動機と目的

• 標準的な準円形テンプレートを用いた重力波信号における離心率のパラメータ推定への影響を評価すること。
• 非回転パリティにおける誤った波形モデル化が原因で、誤った離心率信号が生じるかどうかを調査すること。
• 整列スピンを含む完全なインスピレーション・マージ・リングダウン波形モデルを用いて、実際のイベントGW151226およびGW170608の離心率を制約すること。
• シミュレートされたおよび実際の重力波信号において、質量パラメータと離心率の相関関係を定量化すること。

提案手法

• 低質量連星系を模倣する時間領域波形を用いて、離心率が0.3までのシミュレートされた重力波信号を生成した。
• これらのシミュレート信号に対して、標準的な準円形パラメータ推定パイプラインを適用し、回復された質量パラメータにおけるバイアスを評価した。
• 完全なインスピレーション・マージ・リングダウン波形モデル（離心率および整列スピン成分を含む）を用いて、実イベントGW151226およびGW170608のパラメータ推定を実施した。
• 非回転パリティの結果と整列スピン・離心率モデルの結果を比較し、スピン仮定の違いが離心率推定に与える影響を分離した。
• ベイズ推論とネステッドサンプリングを用いて、質量、スピン、離心率パラメータの事後分布を計算した。
• 事後分布解析と周辺化を用いて、質量パラメータ、離心率、有効スピンの間の相関関係を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 準円形波形テンプレートを用いた場合、離心率が増加すると質量パラメータ推定の精度にどのように影響するか？
• RQ2 実際の重力波イベントにおいて、スピンに関する誤った仮定が原因で、どの程度の誤った離心率信号がパラメータ推定に生じるか？
• RQ3 整列スピン・離心率波形モデルを用いた場合、GW151226およびGW170608の離心率の上限は何か？
• RQ4 実際のGWイベントにおいて、測定された離心率と有効スピンの相関関係はどの程度強いか？
• RQ5 シミュレート信号において、未考慮の離心率が原因でチルプマスおよび質量比推定に生じるバイアスを定量的に評価できるか？

主な発見

• 離心率が0.3までのシミュレート信号において、回復されたチルプマスは真値と比較して約10%過大評価された。
• 離心率が増加するにつれ、回復された質量比は1に系統的にシフトする傾向にあり、離心率と質量比のデゲネラシーが示された。
• GW151226では、非回転パリティが適用された結果、未考慮のスピン効果により誤った離心率測定が生じた。
• 整列スピン・離心率波形モデルを用いた場合、GW151226の離心率は高い信頼性でe < 0.15に制約された。
• GW170608についても、同じモデルフレームワーク下で離心率はe < 0.12に制約された。
• 実データにおいて、測定された離心率と有効スピンの間に顕著な相関関係が観察され、パラメータ推定においてスピンと離心率がデゲネラシーしていることが示された。