[論文レビュー] Searching for vector boson-star mergers within LIGO-Virgo intermediate-mass black-hole merger candidates

J. Calderón Bustillo, N. Sanchis-Gual+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、LIGO-Virgoの中質量ブラックホール合体候補者に対して、759組のProca星の正面衝突シミュレーションを用いて、初めてベクトルボソン星合体の系統的探索が行われた。GW190521とS200114fは、~8.7–9.1 × 10⁻¹³ eVの一貫したボソン質量を持つProca星合体として弱く支持されるが、GW190426とGW200220は、奇妙な仮説を弱くから強く拒否する。これにより、未来の奇妙なコン pact 物体の集団的分析への道が開かれる。

ABSTRACT

We present the first systematic search for exotic compact mergers in Advanced LIGO and Virgo events. We compare the short gravitational-wave signals GW190521, GW190426$\_$190642, GW200220$\_$061928 and the trigger 200114$\_$020818 (or S200114f) to a new catalogue of 759 numerical simulations of head-on mergers of horizonless exotic compact objects known as Proca stars, interpreted as self-gravitating lumps of (fuzzy) dark matter sourced by an ultralight (vector) bosonic particle. The Proca-star merger hypothesis is strongly rejected with respect to the black hole merger one by GW190426, weakly rejected by GW200220 and weakly favoured by GW190521 and S200114f. GW190521 and GW200220 yield highly consistent boson masses of $μ_{ m B} = 8.69^{+0.61}_{-0.75} imes10^{-13}$ eV and $μ_{ m B} = 9.13^{+1.18}_{-1.30} imes10^{-13}$ eV at the $90\%$ credible level. We conduct a preliminary population study of the compact binaries behind these events. Excluding (including) S200114f as a real event, and ignoring boson-mass consistencies across events, we estimate a fraction of Proca-star mergers of $ζ= 0.27^{+0.43}_{-0.25} \ (0.39^{+0.38}_{-0.33})$. We discuss the impact of boson-mass consistency across events in such estimates. Our results maintain GW190521 as a Proca-star merger candidate and pave the way towards population studies considering exotic compact objects.

研究の動機と目的

• LIGO-Virgoのデータに含まれる中質量ブラックホール合体候補が、ホライズンを持たない奇妙なコンパクト物体、特にProca星の合体によって生じる可能性を調査すること。
• 重力波データを用いて、標準的ブラックホール合体モデルと比較してProca星合体仮説を検証すること。
• 観測集団におけるこのような奇妙な合体の割合を推定し、複数の事象間での一貫性を考慮すること。
• ボソン質量の一貫性が奇妙なコンパクト物体の集団的推論に与える影響を検討すること。

提案手法

• 著者らは、4つのLIGO-Virgo事象の短い重力波信号を、正面衝突Proca星合体の759組の新しいシミュレーション・カタログと比較した。
• ベイズ推論を用い、NRSur7dq4波形モデルを用いてProca星仮説を標準的ブラックホール合体モデルと比較した。
• 質量比、距離（等方的距離）、共動的体積などの複数の事前分布を用いたパラメータ推定を実施し、最高のベイズ的証拠を選択した。
• 質量、スピン、軸線角、距離の事後分布を推定し、特に複数の事象間でのボソン質量の一貫性に特に注意を払った。
• 集団的分析により、観測サンプルにおけるProca星合体の割合を推定し、S200114fが実際の事象であるかどうかの有無を考慮した。
• ボソン質量の一貫性が集団的割合推定に与える影響を考慮した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中質量ブラックホール合体候補の重力波信号は、標準的ブラックホール連星よりも、Proca星の合体によってよりよく説明できるだろうか？
• RQ2 観測信号に最もよく合うultralightベクトルボソンの質量は何か？
• RQ3 GW190521とGW200220などの複数の事象において、推定されたボソン質量はどれほど一貫しているか？
• RQ4 現在のデータを踏まえて、観測された中質量ブラックホール合体候補の何パーセントがProca星合体に起因する可能性があるか？
• RQ5 複数の事象間でボソン質量が一貫しているという仮定が、奇妙なコンパクト物体合体の集団的推定にどのように影響するか？

主な発見

• GW190426ではProca星合体仮説が強く拒否され、GW200220では弱く拒否されるが、GW190521とS200114fは奇妙なモデルに対して弱く支持される。
• GW190521とGW200220のボソン質量は、それぞれ90%信用区間でμ_B = 8.69⁺⁰.⁶¹₋₀.⁷⁵ × 10⁻¹³ eVおよびμ_B = 9.13⁺¹.¹⁸₋₁.³⁰ × 10⁻¹³ eVで一貫している。
• Proca星合体の集団的割合は、S200114fを除いた場合ζ = 0.27⁺⁰.⁴³₋₀.²⁵、S200114fを含めた場合ζ = 0.39⁺⁰.³⁸₋₀.³³と推定され、不確実性は統計的およびモデル的不確実性が支配的である。
• S200114fの質量比の事後分布は、NRSur7dq4波形モデルの限界に達しており、より大きな質量比を許容するモデルの必要性を示唆している。
• S200114fの有効な前進スピンχ_pおよび有効スピンχ_effの推定値は、大きなスピンと前進を示しており、これは合体期に標準的波形モデルの挑戦を示唆している。
• 本研究は、GW190521を有効なProca星合体候補と維持し、将来的な重力波データにおける奇妙なコンパクト物体の集団的分析のためのフレームワークを確立した。