[論文レビュー] Quantifying the evidence for primordial black holes in LIGO/Virgo gravitational-wave data.

Gabriele Franciolini, Vishal Baibhav+7 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 27

ひとこと要約

本研究では、LIGO/VirgoのGWTC-2カタログを用いて階層ベイズ解析を実施し、二重ブラックホール合体における原始ブラックホール（PBH）の証拠を評価した。特定の形成シナリオ、特に安定質量移動チャネルを含むものでは、PBHが天体物理学的モデルよりも強く支持されることが判明した。また、GW190521のような上部質量ギャップ内のイベントを説明できるが、その証拠は仮定された天体物理学的モデルに強く依存する。

ABSTRACT

With approximately 50 binary black hole events detected by LIGO/Virgo to date and many more expected in the next few years, gravitational-wave astronomy is shifting from individual-event analyses to population studies. We perform a hierarchical Bayesian analysis on the GWTC-2 catalog by combining several astrophysical formation models with a population of primordial black holes. We compute the Bayesian evidence for a primordial population compared to the null hypothesis, and the inferred fraction of primordial black holes in the data. We find that these quantities depend on the set of assumed astrophysical models: the evidence for primordial black holes against an astrophysical-only multichannel model is decisively favored in some scenarios, but it is significantly reduced in the presence of a dominant stable-mass-transfer isolated formation channel. The primordial channel can explain mergers in the upper mass gap such as GW190521, but (depending on the astrophysical channels we consider) a significant fraction of the events could be of primordial origin even if we neglected GW190521. The tantalizing possibility that LIGO/Virgo may have already detected black holes formed after inflation should be verified by reducing uncertainties in astrophysical and primordial formation models, and it may ultimately be confirmed by third-generation interferometers.

研究の動機と目的

• LIGO/VirgoのGWTC-2重力波カタログにおける原始ブラックホール（PBH）のベイズ的証拠を評価すること。
• 異なる天体物理学的形成モデルの下で推定されるPBHの割合がどのように変化するかを評価すること。
• GW190521のような観測事象、特に上部質量ギャップ内のものについて、PBHが説明可能かどうかを特定すること。
• インフレーション後に形成された原始ブラックホールの痕跡が、現在のデータにすでに検出可能なシグナルを含んでいるかどうかを調査すること。
• 現在のデータにおけるPBH証拠の解釈に影響を与える形成モデルの主な不確実性を同定すること。

提案手法

• GWTC-2カタログに階層ベイズフレームワークを適用し、複数の天体物理学的形成チャネルと原始ブラックホール集団を同時にモデル化した。
• 孤立二重星進化に伴う安定質量移動を含むさまざまな天体物理学的モデルと、対数正規分布を示す質量関数を持つPBH集団を統合した。
• 全多チャネルモデル（天体物理学的＋PBH）と天体物理学的のみの帰無仮説の間でベイズ的証拠を計算した。
• ブラックホール質量と赤方偏移の測定誤差を考慮し、重力波パラメータ推定から導かれた尤度関数を用いた。
• インフレーション後に原始的起源と整合する質量分布を持つPBH形成シナリオの範囲を含めた。
• PBHの証拠の強さを定量化するために、ベイズ因子を用いたモデル比較を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 天体物理学的形成モデルのみを仮定する帰無仮説と比較して、LIGO/VirgoのGWTC-2カタログにおける原始ブラックホール集団のベイズ的証拠は何か？
• RQ2 原始ブラックホールは、特にGW190521や上部質量ギャップ内の他の系について、観測された合体事象を説明できるか？
• RQ3 仮定される天体物理学的形成チャネルのセットに応じて、推定される原始ブラックホールの割合はどのように変化するか？
• RQ4 安定質量移動チャネルが支配的である場合、原始ブラックホールの証拠はどの程度低下するか？
• RQ5 現在の重力波データに、初期宇宙で形成された原始ブラックホールの検出可能な痕跡がすでに含まれている可能性はあるか？

主な発見

• 特定の形成シナリオ、特に支配的安定質量移動チャネルが存在しない場合、原始ブラックホールのベイズ的証拠は天体物理学的のみのモデルを強く上回る。
• 支配的安定質量移動チャネルが存在する場合、原始ブラックホールの証拠は著しく低下し、結果がモデルに依存することを示している。
• 原始ブラックホールは、上部質量ギャップ内の合体を説明可能であり、GW190521を分析から除外しても同様に成立する。
• GW190521を除いても、仮定される天体物理学的モデルセットに応じて、二重ブラックホール事象の有意な割合が原始的起源である可能性がある。
• LIGO/Virgoがすでに原始ブラックホールを検出している可能性は依然として残っているが、その確認には形成モデルパラメータの不確実性を低減する必要がある。
• 第三世代重力波干渉計により、検出されたブラックホールの一部が原始的起源であることを最終的に確認できる可能性がある。