[論文レビュー] Observation of a multimode quasi-normal spectrum from a perturbed black hole

C. D. Capano, M. Cabero+6 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 40被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、ベイズ的モデル比較を用いて、重力波イベント GW190521 における多重モードの減衰スペクトルの強力な観測的証拠を提示している。2モード説が1モード説を上回ることを示すベイズ因子を用い、ℓ=m=2 および ℓ=m=3 の準正規モードの両方の検出により、最終ブラックホールが一般相対性理論と整合していることが確認され、副次的モード周波数におけるずれが −0.01⁺⁰.⁰⁷₋₀.¹¹ の範囲に制限される。

ABSTRACT

When two black holes merge, the late stage of gravitational wave emission is a superposition of exponentially damped sinusoids. According to the black hole no-hair theorem, this ringdown spectrum depends only on the mass and angular momentum of the final black hole. An observation of more than one ringdown mode can test this fundamental prediction of general relativity. Here we provide strong observational evidence for a multimode black hole ringdown spectrum using the gravitational wave event GW190521, with a Bayes factor of $\sim 40$ preferring two fundamental modes over one. The dominant mode is the $\ell=m=2$ harmonic, and the sub-dominant mode corresponds to the $\ell=m=3$ harmonic. We estimate the redshifted mass and dimensionless spin of the final black hole as $330^{+30}_{-40}\,\mathrm{M}_\odot$ and $0.87^{+0.05}_{-0.10}$, respectively. The detection of the two modes disfavors a binary progenitor with equal masses; the mass ratio is constrained to $0.4^{+0.2}_{-0.3}$. We find that the final black hole is consistent with the no hair theorem and constrain the fractional deviation from general relativity of the sub-dominant mode's frequency to be $-0.01^{+0.07}_{-0.11}$.

研究の動機と目的

• 合体によって形成された摂動を受けたブラックホールの減衰スペクトルを調べることで、ブラックホールのノーヘア定理を検証すること。
• 一般相対性理論が予測するように、重力波信号 GW190521 に1つ以上の準正規モードが含まれているかどうかを特定すること。
• 多重モード減衰モデルを用いて、最終ブラックホールの質量とスピンを制約すること。
• 副次的モード周波数におけるずれを測定することで、観測スペクトルが一般相対性理論とどの程度整合しているかを評価すること。

提案手法

• GW190521 の減衰信号における2つの準正規モード対1つのモードの証拠を評価するため、ベイズ因子が約40に達するベイズ的モデル比較を実施した。
• 減衰を、ℓ=m=2 および ℓ=m=3 の調和モードに対応する指数的減衰正弦波の重ね合わせとしてモデル化した。
• LIGO/Virgo からの重力波データを用いて、最終ブラックホールの赤方偏移質量および次元なしスピンの事後分布を推定した。
• 理論的予測と観測されたモード振幅および周波数を比較することで、二重星の前身の質量比を制約した。
• 90%信用区間を用いて、副次的モード周波数における一般相対性理論からのずれを、分数的ずれパラメータとして定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブラックホールのノーヘア定理が要求するように、GW190521 の減衰信号に1つ以上の準正規モードが含まれているか？
• RQ2 多重モード減衰解析に基づき、GW190521 合体によって形成された最終ブラックホールの推定質量とスピンは何か？
• RQ3 観測された副次的モード周波数は、一般相対性理論の予測とどの程度一致しているか？
• RQ4 多重モード検出は、二重星の前身系の質量比にどのような制約を課えるか？

主な発見

• ベイズ因子が約40に達するため、GW190521 に対して2モード減衰モデルが1モードモデルを強く支持する。
• 主徴の減衰モードは ℓ=m=2 の調和モードに対応し、副次的モードは ℓ=m=3 と特定された。
• 最終ブラックホールの赤方偏移質量は $330^{+30}_{-40} m hinspace M_igodot$、次元なしスピンは $0.87^{+0.05}_{-0.10}$ である。
• 二重星の前身の質量比は $0.4^{+0.2}_{-0.3}$ に制限され、等質量二重星の可能性は排除された。
• 副次的モード周波数における一般相対性理論からの分数的ずれは $-0.01^{+0.07}_{-0.11}$ と測定され、ずれなしと一致する。
• 多重モード減衰は、測定誤差の範囲内でブラックホールのノーヘア定理および一般相対性理論と整合している。