[論文レビュー] Reinterpreting Low Frequency LIGO/Virgo Events as Magnified Stellar-Mass Black Holes at Cosmological Distances

Tom Broadhurst, J. M. Diego+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 34被引用数 28

ひとこと要約

本論文は、LIGO/Virgoの4つの最高質量の二重ブラックホール（BBH）イベント—かつては低赤方偏移での20–35M⊙合体として解釈されていたもの—が、実際には銀河が中間的に存在する場所で発生した星間質量ブラックホール（5–15M⊙）の重力レンズ効果による歪み・増幅信号であると提案する。中間銀河による重力レンズ効果が波の歪みを√µ倍に増幅させ、検出器が距離を過小評価（√µ倍）し、質量を過大評価（1+z倍）するため、高質量推定値と星起源ブラックホール集団との矛盾が解消される。

ABSTRACT

Gravitational waves can be focussed by the gravity of an intervening galaxy, just like light, thereby magnifying binary merging events in the far Universe. High magnification by galaxies is found to be responsible for the brightest sources detected in sky surveys, but the low angular resolution of LIGO/Virgo is insufficient to check this lensing possibility directly. Here we find that the first six binary black hole (BBH) merging events reported by LIGO/Virgo show clear evidence for lensing in the plane of observed mass and source distance. The four lowest frequency events follow an apparent locus in this plane, which we can reproduce by galaxy lensing, where the higher the magnification, the generally more distant the source so the wave train is stretched more by the Universal expansion, by factors of 2-4. This revises the reported BBH distances upwards by an order of magnitude, equal to the square root of the magnification. Furthermore, the reported black hole masses must be decreased by 2-4 to counter the larger stretch factor, since the orbital frequency is used to derive the black hole masses. This lowers the masses to 5-15 solar masses, well below the puzzlingly high values of 20-35 solar masses otherwise estimated, with the attraction of finding agreement in mass with black holes orbiting stars in our own Galaxy, thereby implying a stellar origin for the low frequency events in the far Universe. We also show that the other two BBH events of higher frequency detected by LIGO/VIRGO, lie well below the lensing locus, consistent with being nearby and unlensed. If this apparent division between local and distant lensed events is reinforced by new detections then the spins and masses of stellar black holes can be compared over a timespan of 10 billion years by LIGO/Virgo.

研究の動機と目的

• LIGO/Virgoの最初のBBHイベントにおける高い推定質量（20–35M⊙）と、星の進化から予想される5–15M⊙の質量との間にある矛盾を解消すること。
• 中間銀河による重力レンズ効果が、LIGO/Virgoデータにおける観測された質量-距離相関を説明できるかどうかを検証すること。
• レンズ効果が、銀河系に知られている星間質量ブラックホール集団と整合するように、高質量推定値を説明できるかどうかを評価すること。
• 特に高質量イベントが明確な軌道に沿って集まっていることと整合するように、レンズ効果が chirp 質量と推定距離の分布に与える影響を評価すること。

提案手法

• 6つのLIGO/Virgo BBHイベントの観測された chirp 質量と推定光度距離を用いて、レンズ効果と整合する相関があるかを検証する。
• 増幅率µを用いたレンズ効果増幅関係 h(t) ∝ √µ を適用し、過大評価された歪みを補正することで、真の距離の過小評価を是正する。
• 推定距離を√µでスケーリングし、推定質量を(1+z)でスケーリングすることで、レンズ効果に起因するバイアスを逆転させ、真の源の赤方偏移zと固有のchirp 質量を再構築する。
• 銀河系ブラックホールに整合する対数正規分布およびガウス分布の質量関数を用いてBBHイベント集団をシミュレートし、星形成率（SFR）の時間的変化モデルと組み合わせて検出可能なイベントを予測する。
• 折り畝カウスティクスにおけるµ−2則を用いてレンズ効果の光学的厚さをモデル化し、カウスティクス付近のコンパクトな源ではµ > 80の増幅が一般的であると仮定する。
• 幾何的要因Θの不確実性を含めたモンテカルロシミュレーションを用いて、レンズ効果を加えたシミュレーションと加えないシミュレーションのイベント分布を、chirp 質量-距離平面で観測データと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中間銀河による重力レンズ効果が、LIGO/Virgoの高質量BBHイベントが特定の軌道に沿って集まっている現象を説明できるか？
• RQ2 レンズ効果が、LIGO/Virgoデータにおけるブラックホール質量の過大評価（20–35M⊙）と距離の過小評価をどの程度説明できるか？
• RQ3 レンズ効果を考慮した場合、観測されたBBHイベントの分布が、高赤方偏移（z ≈ 1–2.5）における星間質量起源（5–15M⊙）を支持するのか、それとも原始的または高質量二重前身星に起因するのか？
• RQ4 レンズ効果を組み込むと、BBHの固有質量関数とイベント発生率の時間的変化の推定にどのような影響を与えるか？

主な発見

• LIGO/Virgoの4つの最高質量BBHイベント（chirp 質量 20–35M⊙）は、赤方偏移z ≈ 1–2.5にあり、増幅率µ ≈ 2–4のレンズ効果を受けていた遠方の源として最もよく説明され、近接に存在する高質量合体とは異なる。
• レンズ効果により推定距離が√µ ≈ 1.4–2倍小さく評価され、真の光度距離は10倍程度に上方修正される。
• 固有のブラックホール質量は20–35M⊙から5–15M⊙に下方修正され、銀河系に観測された星間質量ブラックホールと整合するようになる。
• 2つの低質量イベント（chirp 質量 8–9M⊙）はレンズ効果の軌道の下に位置し、近接でレンズ効果のないイベントであると整合的であり、局所的と遠方のイベントの二重分布を支持する。
• 対数正規分布の質量関数（5–15M⊙）とz ≈ 2でのSFRの増幅を組み合わせたモデルは、観測データ（高質量尾部を含む）と一致するレンズ効果を受けるイベントの分布を生成する。
• 高増幅（µ > 80）の確率は、折り畝カウスティクスにおけるµ−2則と整合的であり、カウスティクス付近のコンパクトで高赤方偏移の源に対して現実的である。