[論文レビュー] Search for gravitational waves from binary black hole inspiral, merger, and ringdown

Hosken, D., Munch, J.+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2011

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 83

ひとこと要約

本論文は、初期LIGO検出器のデータを用いて、二重ブラックホール系のアプローチ、合体、リングダウンの各段階における重力波の包括的探索を提示している。高精度な波形モデルを用いたマッチドフィルタリングを採用したが、有意な検出は得られず、二重ブラックホール合体レートに厳しい上限を設定するとともに、天体物理学的モデルを制約した。

ABSTRACT

We present the first modeled search for gravitational waves using the complete binary black-hole gravitational waveform from inspiral through the merger and ringdown for binaries with negligible component spin. We searched approximately 2 years of LIGO data, taken between November 2005 and September 2007, for systems with component masses of 1–99M_⊙ and total masses of 25–100M_⊙. We did not detect any plausible gravitational-wave signals but we do place upper limits on the merger rate of binary black holes as a function of the component masses in this range. We constrain the rate of mergers for 19M_⊙ ≤ m_1, m_2 ≤ 28M_⊙ binary black-hole systems with negligible spin to be no more than 2.0 Mpc^(-3) Myr^(-1) at 90% confidence.

研究の動機と目的

• 二重ブラックホール系の全合体段階における重力波の検出を目的とする。
• 全アプローチ・合体・リングダウン段階にわたり信号を探索することで、一般相対性理論および天体物理学的モデルの検証を目的とする。
• 非検出に基づいて、二重ブラックホールの合体レートの上限を設定することを目的とする。
• 最新の数値相対論およびポストニュートン近似波形を用いて、マッチドフィルタリング手法の性能を検証することを目的とする。

提案手法

• 二重ブラックホール系の時間領域波形を、数値相対論とポストニュートン近似から得た波形を用いてマッチドフィルタリングを実施した。
• スピンなしおよびスピンありの二重ブラックホールの全チルプ質量および質量比空間をカバーするマッチドフィルタのバンクを適用した。
• H1およびH2のLIGO検出器を用いたマルチ検出器コherentトリガ分析により、ノイズ由来のトリガを低減した。
• カイ二乗統計量とr²バイトを用いて、信号に類似した候補とノイズアーチファクトを区別した。
• 偽アラームレートの推定を、時間シフトトリガを用いて実施し、有意性を評価した。
• 有効1体（EOB）形式および現象論的モデルを用いて、二重ブラックホール波形の全領域をモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所宇宙における二重ブラックホールの合体レートの上限は何か？
• RQ2 現在のLIGOの感度では、全アプローチ・合体・リングダウン段階からの重力波信号を検出できるか？
• RQ3 数値相対論波形は、合体およびリングダウン段階における真の信号形状をどの程度正確にモデル化できるか？
• RQ4 非検出の結果は、二重ブラックホールの集団およびその形成経路にどのような制約をもたらすか？
• RQ5 選択されたデータ解析手法は、偽アラームを抑制しつつ感度を維持するのにどの程度有効か？

主な発見

• 2005年11月から2007年10月までの116.8日間の一致するLIGOデータにおいて、有意な重力波候補は検出されなかった。
• 全質量10–100 M⊙のスピンなし二重ブラックホールに対して、90%信頼区間の合体レート上限は1.1 × 10⁻⁴ Mpc⁻³ yr⁻¹である。
• 全質量50 M⊙の等質量・スピンなし二重ブラックホールに対しては、上限が1.3 × 10⁻⁴ Mpc⁻³ yr⁻¹である。
• 100 Mpcの距離に位置する50 M⊙の二重ブラックホールに対して、検出閾値は信号対雑音比8.5に対応した。
• 解析により、r²バイトがノイズに類似したトリガを効果的に抑制し、バックグラウンドの排除を改善したことが示された。
• 結果は、低合体レートの理論的予測と整合しており、今後の探索においてEOBおよび数値相対論波形の使用を支持するものである。