[論文レビュー] Search for Lensed Gravitational Waves Including Morse Phase Information: An Intriguing Candidate in O2

Liang Dai, Barak Zackay+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 37被引用数 50

ひとこと要約

この論文は、Morse位相情報を用いたLIGO-Virgo O2データにおける強い重力レンズ効果と複数回像の重力波を探索し、レンズ効果の稀な三重重出現を特定し、レンズ効果の実現性を評価します。

ABSTRACT

We search for strongly lensed and multiply imaged gravitational wave signals in the second observing run of Advanced LIGO and Advanced Virgo (O2). We exploit a new source of information, the so-called Morse phase, which further mitigates the search background and constrains viable lenses. The best candidate we find is consistent with a strongly lensed signal from a massive binary black hole (BBH) merger, with three detected images consisting of the previously catalogued events GW170104 and GW170814, and a subthreshold trigger, GWC170620. Given the number of BBH events detected so far, we estimate an overall false alarm probability $\sim 10^{-4}$ for the observed high degree of parameter coincidence between the three events. On the flip side, we measure the Morse phase differences which suggest a complex and atypical lens system, with at least five images including a magnified image at a local maximum of the Fermat potential. The low prior probability for multiple lensed images and the amount of fine tuning required in the lens model reduce the credibility of the lensing hypothesis. The long time delays between lensed images point toward a galaxy cluster lens with an internal velocity dispersion $σ\sim 650\,{ m km/s}$, and the observed strain amplitudes imply a likely range $0.4 < z \lesssim 0.7$ for the source redshift. We provide an error ellipse of $\sim 16\,{ m deg}^2$ for the sky location of the source together with additional specific constraints on the lens-host system, and encourage follow-up efforts to confirm or rule out any viable lens. If this is indeed a lensed event, successfully pinpointing the system would offer a unique opportunity to identify the host galaxy of a BBH merger, and even localize the source within it.

研究の動機と目的

• O2データにおける二重ブラックホール合成の強い重力レンズ化の可能性を動機付け、定量化する。
• 検索背景を低減し、適合するレンズモデルを制約するためにMorse位相情報を組み込む。
• 三イベントのレンズ像候補 GW170104、GWC170620、GW170814 の統計的有意性を評価する。
• レンズ仮説の下で内在パラメータと外部パラメータを共同推定し、レンズ効果の実現性を評価する。
• 可能なレンズ宿主系を特定するための観測フォローアップを提案し、宿主銀河を確認する。

提案手法

• 候補画像間の内在パラメータの整合性を、外部パラメータに依存しない尤度ベースのスコア（S_int）として定義・計算する。
• 画像間のモース位相シフトと到着時間差を考慮した外部パラメータ一致スコア（S_ext）を計算する。
• S_intとS_extを組み合わせて、カタログレベルのレンズ結びつきの偽陽性確率（FAP）を得る（ペアで約1.1×10^-2、サブ閾値画像を含む三重では約1.1×10^-4）。
• IMRPhenomD波形を用いた共通天空位置・傾き・偏光を共有するレンズ仮説の下で、三イベントの4パラメータ共分布推定を実行する。
• 結合適合からモース位相差と増倍比を推定し、レンズ特性を制約する。
• プラスポイントとして、巨大銀河団としてのレンズの可能性を論じ、レンズ宿主系への影響を探る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モース位相情報は、真の強レンズ化されたGW像と無関係な同時発生を有意に区別できるのか。
• RQ2 GW170104、GW170814、GWC170620 の三イベントは、統計的に説得力のあるレンズ像三重を構成するのか。
• RQ3 もし三重がレンズ効果であれば、想定されるレンズ特性（巨大銀河団、速度分散）と源の赤方偏移はどうなるのか。
• RQ4 結合GW分析から生じる天空領域とレンズ宿主の制約は何か、フォローアップ観測はレンズ scenario を確認または否定できるのか。

主な発見

項目	値	参照
Catalog FAP (GW170104, GW170814)	1.1×10^-2	Section II
Existence of GWC170620 (GPS time: 1181956460)	1.3×10^-2	Section II
Time delays (relative to GW170104)	0, 166.63 days, 222.01 days	Section IV
Morse phase differences (relative to GW170104)	0, π, π	Section III
Magnification ratios (relative to GW170814)	0.401±0.08, 0.0719±0.0024, 1	Section III
Apparent luminosity distance of GW170814	D_L^GW170814/√μ_GW170814 = 577^{+159}_{-216} Mpc	Section III
Expected number of lensed events in O2	10^-2–10^-3	Dai et al. (2017); Ng et al. (2018); Li et al. (2018); Oguri (2018); Robertson et al. (2020); Contigiani (2020)

• BBHイベントの三重（GW170104、GW170814、GWC170620）は、モース位相と外部同時性の影響を考慮すると、単一源のレンズ像として解釈でき、カタログFAPは約1.1×10^-4。
• イベント間で測定されたモース位相差は、幾何レンズの期待と一致しており（1つはπ付近、もう1つは0付近）、レンズ効果仮説を支持するが、複雑なレンズモデルを必要とする。
• イベント間の増倍率比は大きく（GWC170620に対して約14.5と約5.7）、顕著なレンズ増倍率と非標準のレンズ配置を示唆する。
• 結合パラメータ推定は、ソースの空定位を約90%信頼で約16平方度に制約し、レンズ下ではソース赤方偏移が低〜中程度（0.4 < z < 0.7）であることを示唆する。
• 推定されたレンズはおそらく内部速度分散が約650 km/sの大規模銀河団である可能性が高いが、必要な幾何とモース位相関係は巧妙に調整された特異なレンズモデルを要し、さらなる確認なしにはレンズ効果の全体的信頼性を低下させる。
• 論文はPlanckカタログに潜在的レンズ銀河団を特定し、フォローアップ観測で宿主銀河を検出する可能性を指摘。