[論文レビュー] Parameter estimation with the current generation of phenomenological waveform models applied to the black hole mergers of GWTC-1

M. Mateu-Lucena, S. Husa+6 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、最新の現象的波形モデルであるIMRPhenomX（周波数領域）およびIMRPhenomT（時間領域）を用いて、GWTC-1カタログに含まれる10件の二重ブラックホール合体現象を再分析し、下位モードおよびプロラプションを含めることでパラメータ推定の正確性を向上させた。結果は元のGWTC-1の結果と整合的であり（Jensen-Shannon距離 <0.045ビット）、波形系差の影響、特にプロラプションおよび高次モードにおける系差が、特に質量の大きな系（GW170729およびGW190521）において事後分布に影響を与える可能性があることを示した。

ABSTRACT

We consider the ten confidently detected gravitational-wave signals in the GWTC-1 catalog which are consistent with mergers of binary black hole systems, and perform a thorough parameter estimation re-analysis. This is made possible by using computationally efficient waveform models of the current (fourth) generation of the IMRPhenom family of phenomenological waveform models, which consists of the IMRPhenomX frequency-domain modelsand the IMRPhenomT time-domain models. The analysis is performed with both precessing and non-precessing waveform models with and without subdominant spherical harmonic modes. Results for all events are validated with convergence tests, discussing in particular the events GW170729 and GW151226. For the latter and the other two lowest-mass events, we also compare results between two independent sampling codes, Bilby and LALInference. We find overall consistent results with the original GWTC-1 results, with all Jensen-Shannon divergences between the previous results using IMRPhenomPv2 and our default IMRPhenomXPHM posteriors below 0.045 bits, but we also discuss cases where including subdominant harmonics and/or precession influences the posteriors.

研究の動機と目的

• 最新の現象的波形モデルを用いて、GWTC-1に含まれる10件の信頼性の高い二重ブラックホール合体イベントを再分析し、物理的精度を向上させる。
• 下位モードおよびスピンプロラプションを含めることによるパラメータ推定における事後分布への影響を評価する。
• 収束テスト、独立したサンプリングコード（BilbyおよびLALInference）および系差のない事前分布の変更を用いて、結果の妥当性を検証する。
• 異なる質量領域における周波数領域（IMRPhenomX）と時間領域（IMRPhenomT）モデルの間の計算的・物理的トレードオフを評価する。
• 現在の波形モデルに対するストレステストを実施し、将来の重力波天文学のベンチマークを確立する。

提案手法

• 数値相対性理論にキャリブレーションされた、完全なプロラプションおよび下位モードを含む第4世代のIMRPhenomXPHMおよびIMRPhenomTPHM波形モデルを用いる。
• BilbyおよびLALInferenceコードにおけるネストド・サンプリングアルゴリズムを用いてベイズ的パラメータ推定を実施し、手法の一貫性を確保する。
• 広い事前分布と収束テストを用いて、異なるサンプリング設定および事前分布仮定下での事後分布の頑健性を検証する。
• IMRPhenomXPHM（周波数領域）とIMRPhenomTPHM（時間領域）モデルの間での結果比較を通じて、モデル依存の系統的誤差を評価する。
• GWOSCから公開されているデータを用い、必要に応じてカスタムのPSDおよびキャリブレーション・エンVELOPを補完する。
• Jensen-Shannon距離を用いて事後分布の差を定量化し、元のGWTC-1の結果との整合性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 下位モードおよびスピンプロラプションの含め方が、GWTC-1の二重ブラックホールパラメータの事後分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 特に位相およびプロラプションにおける波形モデルの系統的誤差が、高質量または高スピン系におけるパラメータ推定にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 特にGW170729およびGW151226のようなイベントにおいて、現在の現象的モデルの事後分布結果は、元のGWTC-1分析と整合的か？
• RQ4 BilbyとLALInferenceという異なるサンプリングコードおよび事前分布の選択が、推定された事後分布の頑健性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 GWTC-1の異なる質量領域において、IMRPhenomXPHMとIMRPhenomTPHMのどちらの波形モデルがより信頼性の高い結果を提供するか？

主な発見

• GWTC-1に含まれる10件の二重ブラックホール合体イベントすべてにおいて、本研究の結果と元のGWTC-1分析の結果は一貫しており、Jensen-Shannon距離は0.045ビット未満であった。
• 合体質量が120 M☉を超えるGW170729においては、プロラプションの取り扱いが優れているため、IMRPhenomTPHMモデルがIMRPhenomXPHMモデルよりもわずかに高い支持を得た。
• GW190521においては、IMRPhenomTPHMモデルがIMRPhenomXPHMモデルよりも顕著に優れた結果を示し、高質量・プロラプションを伴う系では時間領域モデルの重要性が浮き彫りになった。
• 下位モードおよびプロラプションの含め方が、高質量または高スピン領域において系統的に事後分布に影響を与えることが判明し、波形系差が無視できないことが示された。
• 収束テストおよびBilbyとLALInferenceの比較により、結果の頑健性が確認された。極端な事前分布選択下でも、マルチモーダルな事後分布の兆候は観察されなかった。
• 質量および距離の事前分布の変更が事後分布に与える影響はわずかであり、合理的な事前分布の変更に対しても結果が安定していることが示された。