[論文レビュー] GW190521 as a dynamical capture of two nonspinning black holes

Rossella Gamba, M. Breschi+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、GW190521が、歪みのないブラックホールが超回転軌道上で動的捕獲・合体した結果である可能性を提唱している。これは、事前回転するスピンを伴う準円形合体とは異なり、超回転軌道の二重ブラックホールに対する有効1体（EOB）波形モデルを用いて、81⁺⁶²₋₂₅ M⊙ および 52⁺³²₋₃₂ M⊙ の最良適合パラメータが得られ、準円形スピン歪みモデルと比較して4300:1を超えるベイズ因子が得られ、動的捕獲イベントの重力波検出の初例である可能性が示唆されている。

ABSTRACT

Data release associated to "GW190521 as a dynamical capture of two nonspinning black holes" [1]. The posterior samples have been obtained with bajes [2], a pipeline for gravitational wave (GW) and multimessenger astronomy, publicly available here. The GW model TEOBResumS [3,4] employed for this analysis is publicly available here. [1] R.Gamba et. al., <em>GW190521 as a dynamical capture of two nonspinning black holes</em>, arxiv:2106.05575 [gr-qc]<br> [2] M.Breschi et. al., <em>Bayesian inference of multimessenger astrophysical data: Methods and applications to gravitational waves</em>, Phys. Rev. D 104 (2021) no.4, 042001, doi:10.1103/PhysRevD.104.042001, arXiv:2102.00017 [gr-qc]<br> [3] A.Nagar et. al., <em>Effective-one-body waveforms from dynamical captures in black hole binaries, </em>Phys. Rev. D 103 (2021) no.6, 064013, doi:10.1103/PhysRevD.103.064013, arXiv:2009.12857 [gr-qc].<br> [4] R.Gamba et. al., <em>Effective-one-body waveforms for precessing coalescing compact binaries with post-Newtonian twist</em>, Phys. Rev. D 106 (2022) no.2, 024020, doi:10.1103/PhysRevD.106.024020, arXiv:2111.03675 [gr-qc].

研究の動機と目的

• GW190521が、事前回転するスピンを伴う準円形合体ではなく、超回転軌道上を運動する2つの非回転ブラックホールの動的捕獲によって説明可能かどうかを調査すること。
• 有効1体（EOB）波形モデルが、超回転二重ブラックホール合体に対して数値相対論シミュレーションと比較して妥当であるかを検証すること。
• ベイズ的モデル選択を用いて、超回転捕獲仮説と標準的な準円形合体モデルとの間で、観測信号に基づく証拠を比較すること。
• GW190521の短時間・バースト型の波形形態が、大きなスピン成分や高歪みを仮定しなくても自然に説明可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 非回転ブラックホールで、主成分のℓ=m=2の四重極モードのみを考慮した、超回転軌道に拡張された非円形TEOBResumS EOB波形モデルを採用した。
• 初期歪みが0.5を超える高歪み、質量比≤8の非回転二重ブラックホールの46件の数値相対論（NR）シミュレーションを用いて、EOBモデルをキャリブレーションした。
• NRシミュレーションとのEOB/NR不一致度を計算したところ、平均不一致度は3%未満で、半数のシミュレーションで99%以上の忠実度が得られた。
• TEOBResumSモデルを用いてベイズ推論を実施し、超回転捕獲仮説と準円形スピン歪みモデルを比較した。
• インジェクション・リカバリースタディを実施：まず、準円形信号をインジェクションし、NRSur7dq4とTEOBResumSの両方でリカバリーテストを実施。次に、超回転信号をインジェクションし、TEOBResumSでリカバリーテストを実施。
• GW190521のハンフォードのパワースペクトル密度を用い、主な解析と整合性のある標準的なパrameter推定設定と事前分布を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2つの非回転ブラックホールの超回転合体が、GW190521の短時間・バースト型の波形形態を、大きなスピン成分を仮定せずに説明可能か？
• RQ2 観測された信号に基づくと、超回転捕獲シナリオの証拠は、準円形合体に伴うスピン歪みモデルの証拠と比べてどの程度優れているか？
• RQ3 超回転二重ブラックホール用EOB波形モデルは、高歪み系の数値相対論シミュレーションに対してどの程度忠実度が高いか？
• RQ4 超回転捕獲イベントに典型的な複雑な非ガウス的パrameter空間に適用した場合、推論フレームワークはどの程度頑健か？

主な発見

• GW190521に対する最良適合超回転捕獲モデルは、81⁺⁶²₋₂₅ M⊙ および 52⁺³²₋₃₂ M⊙ の源フレーム質量に対応し、合体の前後に2回の接近を伴う。
• 超回転合体仮説は、準円形スピン歪みモデルよりもベイズ因子4300:1を超えるほど強く支持されており、統計的に顕著な優位性が示された。
• 46件の選択されたNRシミュレーションにおけるEOB/NR不一致度は平均で3%未満で、50%のケースで99%以上の忠実度を示し、EOBモデルの正確性が裏付けられた。
• インジェクション・リカバリースタディにより、超回転モデルを用いた場合、パラメータが正しく再構築され、一時的なスピン歪み信号も超回転モデルで妥当にマッチング可能であることが確認された。
• 結果から、GW190521は、恒星質量で非回転の2つのブラックホールの動的捕獲の最初の重力波検出である可能性が示唆される。
• 解析により、超回転捕獲シナリオは、合体前のチルプの欠如やバースト型の形状を、高スピンや高歪みを仮定しなくても自然に説明可能であることが示された。