[論文レビュー] SEOBNRv5PHM: Next generation of accurate and efficient multipolar precessing-spin effective-one-body waveforms for binary black holes

A. Ramos-Buades, Alessandra Buonanno+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 8

ひとこと要約

SEOBNRv5PHM は、全ての BBH 信号に対して計算効率の高い多極子・進行スピン EOB waveform モデルを提供し、広範な NR データと検証され、先行モデルと比べて速度・精度の点で競争力を持つ。

ABSTRACT

Spin precession is one of the key physical effects that could unveil the origin of the compact binaries detected by ground- and space-based gravitational-wave (GW) detectors, and shed light on their possible formation channels. Efficiently and accurately modeling the GW signals emitted by these systems is crucial to extract their properties. Here, we present SEOBNRv5PHM, a multipolar precessing-spin waveform model within the effective-one-body (EOB) formalism for the full signal (i.e. inspiral, merger and ringdown) of binary black holes (BBHs). In the non-precessing limit, the model reduces to SEOBNRv5HM, which is calibrated to $442$ numerical-relativity (NR) simulations, 13 waveforms from BH perturbation theory, and non-spinning energy flux from second-order gravitational self-force theory. We remark that SEOBNRv5PHM is not calibrated to precessing-spin NR waveforms from the Simulating eXtreme Spacetimes Collaboration. We validate SEOBNRv5PHM by computing the unfaithfulness against 1543 precessing-spin NR waveforms, and find that for 99.8% (84.4%) of the cases, the maximum value, in the total mass range 20-300 $M_\odot$, is below 3% (1%). These numbers reduce to 95.3% (60.8%) when using the previous version of the SEOBNR family, SEOBNRv4PHM, and to 78.2% (38.3%) when using the state-of-the-art frequency-domain multipolar precessing-spin phenomenological IMRPhenomXPHM model. Due to much better computational efficiency of SEOBNRv5PHM compared to SEOBNRv4PHM, we are also able to perform extensive Bayesian parameter estimation on synthetic signals and GW events observed by LIGO-Virgo detectors. We show that SEOBNRv5PHM can be used as a standard tool for inference analyses to extract astrophysical and cosmological information of large catalogues of BBHs.

研究の動機と目的

• 二重ブラックホールのスピン前進と高次多極モーメント重力波の正確なモデリングを動機づけ、形成経路と宇宙論に情報を提供する。
• 収束・合体・リングダウンをカバーする計算効率の高い前進スピン EOB 波形モデルを開発する。
• NR データでモデルを較正・検証し、他の最先端モデルと比較する。

提案手法

• 前方偏置の SEOBNRv5HM に対して整列スピン極限で減少する多極子前進スピン EOB ハミルトニアン H_EOB^{pprec} を構築する。
• 高 PN 順序を含む軌道平均化されたスピン前進方程式を用いる。
• 共前進座標系で動力学を進化させ、部分的な前進効果を考慮し、回転して l_N へ スピンを射影して波形を構成する。
• 共前進座標系における因子分解・再総括 PN モードからのインスパイラル-プランジ波形を、選択された多極子について生成する。
• SEOBNRv5HM の非前進テンプレートに、準経験的なポストマージャー回転処方を付与して合体-リングダウンを付加する。
• 原系フレーム波形を、ソースフレーム、J_f フレーム、共前進フレーム間の四元数とオイラー角による回転を通じて表現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 前進スピン・多極子 BBH 波形モデルは、さまざまな質量、スピン、質量比にわたる NR 波形をどの程度正確に再現できるか。
• RQ2 SEOBNRv5PHM の精度と速度の向上は、SEOBNRv4PHM および PhenomXPHM と比べてどの程度か。
• RQ3 このモデルを LVK ライクな解析の標準ベイジアン推論ワークフローに効率的に組み込むことができるか。
• RQ4 高次多極子とスピン前進はパラメータ推定と宇宙論的推定にどのような影響を及ぼすか。

主な発見

• SEOBNRv5PHM は、20–300 M⊙ の全質量域で前進スピン NR ケースの 99.8% に対して不忠実度が 3% 未満である。
• 同じ指標で、99.8% のサブセットでは不忠実度が 1% 未満で 84.4%。
• SEOBNRv4PHM と比較して、不忠実度が 3% 未満となるケースの割合は 95.3%、1% 未満は 60.8% に向上。
• IMRPhenomXPHM と比較して、同じ範囲で SEOBNRv5PHM は 3% 未満が 78.2%、1% 未満が 38.3%。
• SEOBNRv5PHM は SEOBNRv4PHM の約 8–20 倍高速で、LVK ライクデータを用いた標準的なベイズ推論ワークフローを可能にする。
• NR 合成信号と LVK イベントに対するベイズ推論では、SEOBNRv5PHM は注入信号を正確に回収し、SEOBNRv4PHM よりも締まった事後分布を生成することが示されている。