[論文レビュー] New binary black hole mergers in the LIGO-Virgo O3b data

A. K. Mehta, S. C. Olsen+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、LIGO-Virgo O3bデータにおいて、スピンを整列させた四極子のみの波形を用いた一致探索パイプラインを用いて、5つの新しい二重ブラックホール（BBH）合体候補を検出している。解析により、17件の以前に報告済みの事象が確認され、上部/下部質量ギャップの主要な源と、スピン軌道の歳差を示す事象が特定され、ブラックホール形成チャネルの集団推論が向上した。

ABSTRACT

We report the detection of 6 new candidate binary black hole (BBH) merger signals in the publicly released data from the second half of the third observing run (O3b) of advanced LIGO and advanced Virgo. The LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) collaboration reported 35 compact binary coalescences (CBCs) in their analysis of the O3b data [1], with 30 BBH mergers having coincidence in the Hanford and Livingston detectors. We confirm 17 of these for a total of 23 detections in our analysis of the Hanford-Livingston coincident O3b data. We identify candidates using a search pipeline employing aligned-spin quadrupole-only waveforms. Our pipeline is similar to the one used in our O3a coincident analysis [2], except for a few improvements in the veto procedure and the ranking statistic, and we continue to use an astrophysical probability of one half as our detection threshold, following the approach of the LVK catalogs. Most of the new candidates reported in this work are placed in the upper and lower-mass gap of the black hole (BH) mass distribution. We also identify a possible neutron star-black hole (NSBH) merger. We expect these events to help inform the black hole mass and spin distributions inferred in a full population analysis.

研究の動機と目的

• LIGOおよびVirgoが公開したO3bデータにおいて、追加の二重ブラックホール（BBH）合体候補を同定すること。
• 上部および下部質量ギャップにおける事象の検出を通じて、ブラックホール質量およびスピン分布の理解を深めること。
• スピン軌道歳差を示す事象および曖昧な中性子星-ブラックホール（NSBH）候補の天体物理学的意義を調査すること。
• 事前分布の選択が、特に低信号対雑音比事象の事後分布に与える影響を評価すること。
• 将来的な集団分析およびモデル比較のため、公開可能な事後サンプルを提供すること。

提案手法

• O3a解析と類似した、スピンを整列させた四極子のみの波形を用いた一致探索パイプラインを採用。ただし、強化されたボイド手順とランク付け統計を適用。
• 検出のための天体物理学的確率閾値を0.5（p_astro > 0.5）とし、LVKカタログの慣習に準拠。
• 有効スピンに一様な事前分布を、検出器フレーム質量および共動体積時間（VT）に一様な事前分布を適用。ΛCDM宇宙論を仮定。
• 8192個のライブポイントと0.1の対数周辺尤度許容誤差を用いて、PyMultiNestサンプラーによるベイズ推論を実施。
• cogwheelパッケージを用いて事後サンプリングおよびモデル比較を実施。特に、歳差モデルと非歳差モデルのベイズ因子分析を含む。
• スピン事前分布の違い（χ_effに一様な事前分布 vs. 個々のスピンに等方的）における事後分布の二峰性の比較分析を実施。

Figure 1 : The source-frame total mass and effective spin for the BBH events detected so far from all the search pipelines across the first three observing runs of LVK. Posterior contours enclose $50\%$ of the probability and the median is represented by a dot. For parameter inference, we use the IM

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 精緻化された一致探索パイプラインを用いて、O3bデータからどの新しい二重ブラックホール合体候補を同定できるか？
• RQ2 新たに検出された事象の質量およびスピン分布は、ブラックホール形成モデルにおける既知の質量ギャップとどのように比較できるか？
• RQ3 新しい候補事象のいずれかに、スピン軌道歳差の証拠があるか？
• RQ4 異なるスピン事前分布が、低信号対雑音比事象の事後分布および天体物理学的解釈に与える影響は何か？
• RQ5 二次質量が約2.6 M☉に近い候補事象を、BBHまたはNSBH合体として信頼できる根拠で分類できるか？

主な発見

• O3bデータにおいて5件の新しいBBH合体候補が検出され、天体物理学的確率は0.51から0.77の範囲にあった。
• GW191122_214924という1件の事象は、スピン軌道歳差の強い証拠を示しており、歳差モデルが非歳差モデルを上回るベイズ因子8を示した。
• GW191122_214924の主ブラックホールは、明確に上部質量ギャップ（UMG）に位置し、源フレーム質量が45 M☉を超えていた。
• GW200316_235947の二次ブラックホールは、下部質量ギャップ（LMG）に位置し、源フレーム質量は約2.6 M☉であり、NSBH候補としての可能性がある。
• χ_effに一様な事前分布を用いた場合、GW191228_085854の事後分布に二峰性構造が観察された。これは事前分布の選択に敏感であることを示し、LVKの等方的事前分布は唯一のモードを選択した。
• GW200109_195634は、新規検出事象の中で最高赤方偏移（z ≈ 0.6）を示し、Virgo検出器からの寄与が顕著であった。これは将来的な複数検出器解析でより高い有意水準を達成する可能性を示唆している。

Figure 2 : A closer look at one of our new events: GW $191122\_214924$ . Results are shown with the precessing waveform model IMRPhenomXPHM Pratten et al. ( 2021 ) , and also with the non-precessing limit of this waveform (labelled as IMRPhenomXPHM_Aligned ). The latter yields much lower log-likelih