[論文レビュー] Post-Newtonian waveform for charged binary black hole inspirals and analysis with GWTC-1 events

Hai-Tian Wang, Peng-Cheng Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 35被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、電荷を有する二重ブラックホール連星のインスピレーションに適したゼロ次近似のポストノンボルティアン波形モデルを構築し、LIGO-VirgoのGWTC-1イベントにベイズ推論を適用した。現在の電荷制約は、以前のフィッシャー情報行列による推定と整合しており、制約を向上させるために完全な電荷付きインスピレーション・マージング・リングダウン波形の開発の必要性が浮き彫りになった。

ABSTRACT

In the first two-year runs of advanced LIGO/Virgo, ten black hole binary merger events have been formally reported. These gravitational wave signals have significantly enhanced our understanding of the black hole astrophysics. In general, the properties of a black hole are comprehensively described by its mass, spin, and charge. The third parameter is often ignored because of the very low value expected in the realistic astrophysical environment. In this work, we constrain the amount of charge in a way which is equivalent to the parameterized post-Einsteinian framework by treating the charge as a small perturbation in a Bayesian way, and we find that the current limits on charges are similar to the ones obtained by the Fisher information matrix method in previous works. Then we develop a zeroth order post-Newtonian waveform for charged binary black hole inspiral and apply this charged waveform to the binary black hole merger events observed by LIGO-Virgo in their first two runs. A Bayesian model selection is performed in proper frequency range among the zero-order post-Newtonian waveform, the zero-order charged post-Newtonian waveform, and the early-inspiral stage of the inspiral-merger-ringdown waveform. Finally, we obtain several constraints on the binary black hole charges and discuss the possible extension of our work. Our work demonstrates the necessity for the development of a full inspiral-merger-ringdown waveform for charged binary black hole merger, with which the more robust constraints can be yielded.

研究の動機と目的

• 自然界におけるブラックホール電荷の値が予想されるほど小さいにもかかわらず、重力波信号における天体物理学的関連性を調査すること。
• ベイズフレームワーク内で、電磁的電荷を小さな摂動として含めたポストノンボルティアン波形を拡張すること。
• 標準的および完全なインスピレーション・マージング・リングダウン波形と比較して、ゼロ次近似の電荷付きポストノンボルティアン波形のモデル選択における性能を評価すること。
• 実際のLIGO-VirgoのGWTC-1データを用いて、二重ブラックホールの電荷に関する制約を導出すること。
• より高い精度を得るための完全な電荷付きインスピレーション・マージング・リングダウン波形の開発を促すこと。

提案手法

• ブラックホール電荷をポストノンボルティアン展開における小さな摂動として取り扱い、電磁的効果を含むように標準波形を修正する。
• 3つの波形モデル（標準ポストノンボルティアン、電荷付きポストノンボルティアン、初期インスピレーションIMR）を比較するためのベイズ的モデル選択フレームワークを適用する。
• インスピレーションフェーズに適した周波数範囲を用いることで、波形モデリングの一貫性を確保する。
• LIGO-VirgoのGWTC-1イベントカタログを用いて、パラメータ推定とモデル比較を実施する。
• 特定の電荷生成メカニズムを仮定せずに、パrametrized post-Einsteinianアプローチを用いて電荷を制約する。
• 先行研究におけるフィッシャー情報行列法との比較を通じて、結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブラックホール電荷の含みが、ポストノンボルティアン近似における重力波形にどのように影響を与えるか？
• RQ2 電荷付きポストノンボルティアン波形を用いてGWTC-1イベントの二重ブラックホール電荷にベイズ的制約を課した場合、その制約はどのようになるか？
• RQ3 ベイズ的手法による制約は、フィッシャー情報行列法による結果とどのように比較できるか？
• RQ4 標準ポストノンボルティアン、電荷付きポストノンボルティアン、初期インスピレーションIMRのうち、どの波形モデルが観測されたGWTC-1イベントに最も適合するか？
• RQ5 電荷付きブラックホール合体の文脈において、今後の波形モデリングにどのような意味を持つのか？

主な発見

• ベイズ的制約は、先行研究におけるフィッシャー情報行列法による結果と整合的である。
• ゼロ次近似の電荷付きポストノンボルティアン波形は、二重ブラックホール合体の初期インスピレーション信号を分析するための妥当で一貫性のあるモデルを提供する。
• モデル選択では一部のイベントにおいて電荷付きポストノンボルティアンモデルが標準ポストノンボルティアンモデルを上回るが、電荷を物理的パラメータとして確認するには証拠が弱い。
• 結果は、現在のデータでは電荷の導入が必須ではないが、可能な電荷値に対する意味のある上限を設定していることを示している。
• 本研究は、より強固で高精度な制約を得るためには、完全なインスピレーション・マージング・リングダウン波形の開発が不可欠であることを示している。
• 本研究は、重力波天文学における今後の電荷付きブラックホール系のベイズ解析の基盤を確立した。