[論文レビュー] Signature of horizon dynamics in binary black hole gravitational waveforms

Ssohrab Borhanian, K. G. Arun+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、数値相対論シミュレーションと後ニュートン理論の予測を比較することで、二重ブラックホール合体における強力場領域のホライズンダイナミクスに最も感受しやすい重力波モードを特定した。非回転および回転する二重ブラックホールの両方において、(3,2) モードは後ニュートン理論からの最大のずれを示し、重力波形におけるホライズンスケールの物理を調べる上で最も適した候補である。

ABSTRACT

Gravitational waves from merging binary black holes carry the signature of the strong field dynamics of the newly forming common horizon. This signature presents itself in the amplitudes and phases of various spherical harmonic modes as deviations from the point particle description provided by post-Newtonian theory. Understanding the nature of these departures will aid in (a) formulating better models of the emitted waveforms in the strong field regime of the dynamics, and (b) relating the waveforms observed at infinity to the common horizon dynamics. In this work we have used a combination of numerical relativity simulations and post-Newtonian theory to search for the modes of radiation whose amplitude is most affected by the strong field phase of the evolution. These modes are identified to carry the signature of the strong field regime due to significant deviations of the numerical data from the leading order post-Newtonian predictions. We find that modes with large amplitudes or with spherical harmonic indices $\ell=m$ are least modified from their dominant post-Newtonian behavior, while the weaker $\ell eq m$ modes are modified to the greatest extent. The addition of spins to the binary components only affects the current-multipole modes with $\ell + m= ext{odd}$ at the order of interest and does seem to stabilize some of these modes, the $(\ell, m)=(3,2)$ mode being the exception. This mode is the most promising candidate to observe the signature of strong field dynamics as it shows the deviations from post-Newtonian behavior equally for binaries with non-spinning and aligned spinning black holes.

研究の動機と目的

• 二重ブラックホール合体の過程で、強力場領域のホライズンダイナミクスの痕跡を運ぶ重力波モードを特定すること。
• 後ニュートン理論からのずれが、共通ホライズンの形成および進化に関する情報をどのように明らかにするかを理解すること。
• 二重ブラックホール合体の非線形的・強力場領域の過程において、どのモードが最も感受しやすいかを特定すること。
• ブラックホールのスピンが、強力場効果による特定の波形モードの変更に与える影響を評価すること。

提案手法

• 数値相対論シミュレーションと後ニュートン理論を組み合わせ、二重ブラックホール合体プロセス全体における重力波形を計算する。
• 重力放射の球面調和モードを分析し、一次近似の後ニュートン理論予測からの振幅および位相のずれに注目する。
• 数値波形と後ニュートン推定値を比較してずれを定量化し、特に弱い ℓ≠m モードにおけるずれに注目する。
• スピンの役割を検討するため、スピンが整列した二重ブラックホールを研究し、ℓ+m が奇数である電流多重極モードに与える影響を分析する。
• 非回転および回転する両ケースにおいて、後ニュートン理論からのずれが最も顕著に現れる (3,2) モードを特定する。
• モードごとの比較を用いて、強力場ダイナミクスの影響を最も強く受けるモードを特定し、ホライズンスケールの物理を調べる可能性を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重ブラックホール合体の強力場領域において、どの重力波モードが後ニュートン理論からのずれが最大になるか？
• RQ2 ブラックホールのスピンは、強力場領域のホライズンダイナミクスによって引き起こされる特定の波形モードの変更にどのように影響するか？
• RQ3 なぜ (3,2) モードは他の ℓ≠m モードと比較して、強力場効果に対して特に感受しやすいのか？
• RQ4 ℓ+m が奇数である電流多重極モードは、スピン効果の下で、どの程度安定性が向上するか、またはずれが顕著になるか？
• RQ5 (3,2) モードは、非回転および回転する両方の二重ブラックホール系において、共通ホライズンダイナミクスを信頼性高く探査するための有効なプローブとして機能できるか？

主な発見

• 非回転および回転する二重ブラックホール構成の両方において、(3,2) モードは後ニュートン理論からの最大のずれを示しており、強力場領域のホライズンダイナミクスに極めて感受していることが示された。
• ℓ=m または振幅が大きいモードは、後ニュートン理論からの変更が最小限に抑えられ、強力場効果に関する情報が乏しいことが示唆された。
• 弱い ℓ≠m モードは強力場ダイナミクスの影響を最も強く受けるため、非線形的ホライズン物理学を調べる上で最も適した候補である。
• スピンは、関心のある次数において、ℓ+m が奇数である電流多重極モードにのみ影響を及ぼし、その影響がすべてのこのようなモードを安定化させるわけではない。
• 非回転および整列スピンケースの両方において一貫したずれを示すため、(3,2) モードは強力場の痕跡を観測する上で、最も有望な候補のまま残っている。