[論文レビュー] GW190426_152155: a merger of neutron star-black hole or low mass binary black holes?

Yin-Jie Li, Ming-Zhe Han+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 7被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、複数の波形と質量比事前分布を用いたベイズ推論により、重力波候補GW190426_152155を再分析し、中性子星–ブラックホール合体ではなく低質量二重ブラックホール合体である可能性も同様に高いことを示した。解析では、合体率が$59^{+137}_{-51}~{}\mathrm{Gpc}^{-3}~{}\mathrm{yr}^{-1}$と推定され、信号の低スピンおよび負の有効スピンは動的形成を示唆するが、ブラックホールスピンが弱いためNSBH状況では明るい電磁的対応体が発生する可能性は低い。

ABSTRACT

GW190426_152155 was recently reported as one of the 39 candidate gravitational wave (GW) events in \citet{2020arXiv201014527A}, which has an unusual source-frame chirp mass $\sim 2.4M_{\odot}$ and may be the first GW signal from a neutron star-black hole (NSBH) merger. Assuming an astrophysical origin, we reanalyze GW190426_152155 using several waveforms with different characteristics, and consider two different priors for the mass ratio of the binary (Uniform and LogUniform). We find that the results are influenced by the priors of mass ratio, and this candidate could also be from the merger of two low mass black holes (BH). In the case for a binary black hole (BBH) merger, the effective spin is likely negative and the effective precession spin is non-negligible. As for the NSBH merger, supposing the mass of the light object follow the distribution of current neutron stars (NSs) with a reasonably measured/constrained mass, the spin of the low mass BH is so small that is hard to generate bright electromagnetic emission. Finally, we estimate a merger rate of GW190426\_152155-like systems to be $59^{+137}_{-51}~{ m Gpc}^{-3}~{ m yr}^{-1}$.

研究の動機と目的

• GW190426_152155の天体物理学的起源を再評価すること、これは約2.4 M☉のチルプ質量を有する重力波イベント候補である。
• このイベントが中性子星–ブラックホール（NSBH）合体であるか、低質量二重ブラックホール（BBH）合体であるかを特定すること。
• 質量比事前分布（一様分布と対数一様分布）の選択が、源のパラメータ推定に与える影響を評価すること。
• GW190426_152155に類似したシステムの合体率を推定し、NSBH状況における電磁的検出可能性を評価すること。
• スピン特性に基づき、特に動的捕獲による形成メカニズムに及ぼす影響を検討すること。

提案手法

• Bilbyソフトウェアを用いたベイズ的パラメータ推定、IMRPhenomXPHM波形モデルを適用。
• 一様分布と対数一様分布の2つの質量比事前分布の下での結果を比較し、事前分布への感受性を評価。
• 検出体積および誤警報率の推定にインジェクションベースのキャリブレーションを用い、天体物理学的合体率を推定。
• Poisson尤度フレームワーク内でJeffreys事前分布（R⁻⁰.⁵）を用い、合体率の事後分布を導出。
• 有効スピンおよび有効予想スピンの推論により、形成経路を評価。
• GW190521およびGW190814を用いたクロスバリデーションにより、合体率推定手法の妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GW190426_152155は、中性子星–ブラックホール合体ではなく、低質量二重ブラックホール合体として説明可能か？
• RQ2 質量比事前分布の選択が、推定された源パラメータにどれほど影響を及ぼすか？
• RQ3 GW190426_152155に類似したシステムの期待合体率は何か？理論的予測と比較するとどうか？
• RQ4 ブラックホールスピン制約を考慮した場合、NSBH解釈が観測可能な電磁的対応体を生じるだろうか？
• RQ5 スピン特性は、この二重系の形成メカニズムについて何を示唆するか？

主な発見

• このイベントは、負の有効スピンおよび無視できない有効予想スピンを示しており、低質量二重ブラックホール合体と整合的であり、動的形成経路の可能性を示唆する。
• 質量比事前分布の選択が事後推定に顕著な影響を及ぼすことが判明し、低SNRイベントの解釈において、事前仮定の影響が強いことが示された。
• GW190426_152155に類似したシステムの合体率は$59^{+137}_{-51}~{}\mathrm{Gpc}^{-3}~{}\mathrm{yr}^{-1}$と推定され、NSBH合体の文献予測と整合的である。
• NSBH状況では、ブラックホールスピンが低いため明るい電磁的対応体が発生せず、多メッセンジャーアストロノミーによる検出は困難である。
• 合体率推定は、1件の検出イベントに起因するポアソン誤差によって主に制限されている。
• GW190521およびGW190814を用いたクロスチェックにより、合体率推定手法が先行研究と整合的であることが確認された。