[論文レビュー] Parameter Estimation Bias From Overlapping Binary Black Hole Events In Second Generation Interferometers

P. Relton, V. Raymond|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 57被引用数 39

ひとこと要約

この論文は、第二世代重力波検出器における重ね合わせの二重ブラックホール（BBH）合体が引き起こすパラメータ推定バイアスを調査している。解析的手法およびシミュレーションを用いて、合体時刻の差が0.1秒以上、または信号対雑音比（SNR）が著しく異なる場合には、現在のパラメータ推定手法が重ね合わせのBBH信号を信頼性高く区別できることを示しているが、一方で、片方の信号が検出閾値未満であってもバイアスが生じる可能性がある。

ABSTRACT

Since the initial detection of Gravitational Waves in 2015, 50 candidate events have been reported by the LIGO-Virgo-KAGRA collaboration. As the current generation of detectors move towards their design sensitivity the rate of these detections will increase. The next generation of detectors are likely to have high enough sensitivities that multiple merging binaries will be visible at the same time. In this paper we show that this is likely to happen before the end of the decade, with the move to the LIGO-Voyager detector. We investigate the situation of overlapping Binary-Black-Hole mergers in these detectors. We find that current parameter estimation techniques are capable of distinguishing the louder of two merging BBH events, without significant bias, when their merger times are not less than $\sim0.1$ seconds apart and when the ratio of the signal-to-noise ratios of the systems is uneven. This region of overlapping parameter space is dependent upon the sky locations of the signals and the relation of those locations to the light travel time between detectors. We also find that, if two signals are highly overlapping, then the recovered set of parameters often show strong evidence of precession. Finally we show that bias can occur even when the signal causing the bias is below the detection threshold.

研究の動機と目的

• 第二世代重力波検出器における重ね合わせのBBH信号が引き起こすパラメータ推定バイアスのリスクを評価すること。
• 現在のパラメータ推定手法を用いて、重ね合わせ信号を信頼性高く区別できる条件を特定すること。
• 信号の重なりが二重ブラックホール系におけるスピンの前進モデルとパラメータ推定に与える影響を評価すること。
• 近い将来のLIGO-Voyager観測における重ね合わせBBHイベントの確率を定量すること。

提案手法

• 合体率と信号持続時間に基づいて、重ね合わせBBH合体の確率をポアソン統計を用いてモデル化した。
• パワースペクトル密度（PSD）とBNS/BBH距離規約を用いて、検出可能性のための信号対雑音比（SNR）閾値を計算した。
• 時間差とSNR比を変化させた重ね合わせBBH波形をシミュレートし、パラメータ推定性能をテストした。
• 事前分布を含むベイズ的パラメータ推定を、前進波形モデル（例：PhenomPv2）を用いて、合成信号からのシステムパラメータを推定した。
• 回復されたパラメータと注入された真値を比較することでバイアスを評価し、質量、スピン、前進パラメータに注目した。
• インスピレーション・レンジ・パッケージと検出器のPSDを用いて、異なる検出器設定（aLIGO、LIGO-Voyager、Einstein Telescope）における検出距離と信号持続時間を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第二世代検出器（例：LIGO-Voyager）における重ね合わせBBH合体の確率は何か？
• RQ2 現在のパラメータ推定手法が、顕著なバイアスなしに二つの重ね合わせBBH信号を区別できる条件は何か？
• RQ3 信号の重なりが二重ブラックホール系におけるスピン前進の推定に与える影響は何か？
• RQ4 片方の重ね合わせ信号が検出閾値未満であっても、パラメータ推定にバイアスが生じる可能性はあるか？
• RQ5 天球上の位置と検出器間の光伝播時間ベースラインが、重ね合わせ信号の検出可能性に与える影響は何か？

主な発見

• 合体時刻の差が0.1秒以上、または二つの信号間のSNR比が著しく異なる場合には、重ね合わせBBH信号を顕著なバイアスなしに信頼性高く区別できる。
• LIGO-Voyagerにおける重ね合わせイベントの確率は、今世紀末までに無視できない程度になると予想され、特に検出レートの上昇に伴い顕著になる。
• 信号が極めて重なっている場合、真の信号が前進しない場合でも、パラメータ推定はしばしば強いスピン前進の証拠を示す。
• 片方の信号が検出閾値未満であっても、パラメータ推定にバイアスが生じる可能性がある。これは、検出不能な重ね合わせイベントが結果を歪める可能性を示している。
• 重ね合わせ信号の検出可能性は、天球上の位置と検出器間の光伝播時間ベースラインに強く依存しており、波形干渉の度合いに影響を与える。