[論文レビュー] Searching for gravitational wave echoes in GWTC-1 and O3 events

Yutong Wang, Yun-Song Piao|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ベイズ的モデル選択とマルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）解析を用いて、GWTC-1およびO3の重力波イベント全般から重力波エコーを探索した。物理的現象モデルであるIMRE（インスピレーション・マージャー・リングダウン・エコー）波形モデルを用いた。全イベント集合全体においては、エコーの統計的有意な証拠は得られなかったが、組み合わせられたベイズ因子はエコーモデルへの1σ未満の支持を示した。一方、一部の個別イベントでは1–2σの弱い兆候が観察された。

ABSTRACT

Gravitational wave (GW) echoes, if they exist, would be a probe to the near-horizon physics of black hole. In this brief report, we performed the Monte Carlo Markov Chain analysis to search for echo signal in all GWTC-1 and O3 GW events. We focus on the Insprial-Merger-Ringdown-Echo (IMRE) waveform, and apply the Bayesian model selection to compare the IMRE result with IMR's (no echo). We find no statistically significant ($<1σ$ combined) evidence for the GW echoes and only individual GW events with the echoes at $1\sim 2σ$ significance.

研究の動機と目的

• 一般相対性理論を超えた近ホライズン物理学を調べるため、GWTC-1およびO3の重力波イベント全般にわたる重力波エコーの存在を調査すること。
• ベイズ的モデル選択を用いて、IMRE（インスピレーション・マージャー・リングダウン・エコー）波形モデルが標準的なIMR（エコーなし）モデルよりも優れたフィットを示すかどうかを検証すること。
• 非一様なエコー間隔を考慮した場合の、複数イベントにわたるエコーサイナルの統計的有意性を評価すること。
• 現在の検出器がエコーサイナルにどれほど感度を持っているかを評価し、今後の検出に向けた有望な候補を特定すること。

提案手法

• 本研究では、標準的なIMR波形にエコー成分を追加する現象論的IMRE波形モデルを採用し、エコーの振幅は1/(3+n)に従って減衰し、エコー間隔はパラメータrに比例して線形に増加する。
• MCMCアルゴリズムはemcee3.0.2パッケージおよびMGWBコードを用いて実装され、IMRパラメータ、エコー振幅比𝒜、エコー持続時間β、エコー間隔増分r、エコー発生時刻t_echo、エコー周期Δt_echoを含む、全パラメータ空間を探索する。
• ベイズ的モデル選択には、対数ベイズ因子ln B₀₁ = ln[p(d|H₁,I)/p(d|H₀,I)]を用い、各イベントについてIMREモデル（H₁）と標準IMRモデル（H₀）を比較する。
• 全イベントにわたる組み合わせベイズ因子は、個々の対数ベイズ因子の合計として計算され、全体的なモデルの好ましさを評価可能となる。
• 定数および増加するエコー間隔モデルを検討し、r ≠ 0は、ウォームホールなどの奇妙なコンパクト天体の兆候を示す可能性がある。
• 特にGW190425の例において、主要パラメータの事後分布が可視化され、68%および95%信用区間が示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ベイズ的モデル比較を用いた場合、GWTC-1およびO3の重力波イベント集合全体に、統計的に有意な重力波エコーの証拠が存在するか？
• RQ2 全サンプルに有意な支持がない場合でも、個別イベントにおいてIMREモデルが標準IMRモデルよりも好まれる兆候は見られるか？
• RQ3 パラメータrによる非一様なエコー間隔の取り入れが、エコーサイナル検出の有意性にどのように影響するか？
• RQ4 全イベントにわたるエコーモデルへの全体的な好ましさは何か？ また、現在の検出器の感度と比べてどうか？
• RQ5 GW170817やGW190412などの一部のイベントで観察された弱い兆候は、今後のより感度の高い検出器（例：aLIGO O5やエインシュタイン望遠鏡）で確認可能か？

主な発見

• GWTC-1イベント全般の組み合わせベイズ因子は-1.49であり、これはIMRモデルへの0.14σの支持を示し、エコーの有意な証拠がないことを示している。
• O3イベント全般の組み合わせベイズ因子は-1.08であり、これはIMRモデルへの0.26σの支持を示しており、GWTC-1に比べてO3の感度がわずかに高いことを示唆している。
• GW151012は、個別イベントの中で最も強い証拠を示し、対数ベイズ因子が1.96に達し、IMREモデルへの1.84σの有意性を示している。
• GW170817およびGW170823の両方で、対数ベイズ因子が0.55に達し、それぞれ1.10σの有意性を示しており、エコーの弱い肯定的兆候がある。
• 2σ以上の有意性を示すイベントはなく、全イベント集合全体においてもエコーモデルへの1σを超える組み合わせ的支持は観察されなかった。
• 結果から、現在のデータでは重力波エコーの存在を支持する根拠はないが、今後の検出器（例：aLIGO O5やエインシュタイン望遠鏡）が存在すれば、もしエコーが実際に存在するならば検出可能である可能性がある。