[論文レビュー] Stochastic gravitational-wave background as a tool to investigate multi-channel astrophysical and primordial black-hole mergers

Simone S. Bavera, Gabriele Franciolini+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、二重ブラックホール合体における複数の天体物理学的および原始的ブラックホール形成チャネルの寄与割合を制約する補足的手法として、確率的重力波背景（SGWB）の利用を提案する。GWTC-2のデータに基づくモデル選択による分岐比を、観測された合体率に正規化し、それらから導かれるSGWBエネルギー密度を計算することで、予測される振幅は $\Omega_{\mathrm{GW}}(25\,\mathrm{Hz}) = 1.11^{+0.16}_{-0.05} \times 10^{-10}$ となる。これは現在のLIGO-Virgoの上限を下回っており、将来の第三世代の検出器、たとえばエイントシュタイン・テレスコープやLISAによってのみ検出可能である。

ABSTRACT

The formation of merging binary black holes can occur through multiple astrophysical channels such as, e.g., isolated binary evolution and dynamical formation or, alternatively, have a primordial origin. Increasingly large gravitational-wave catalogs of binary black-hole mergers have allowed for the first model selection studies between different theoretical predictions to constrain some of their model uncertainties and branching ratios. In this work, we show how one could add an additional and independent constraint to model selection by using the stochastic gravitational-wave background. In contrast to model selection analyses that have discriminating power only up to the gravitational-wave detector horizons (currently at redshifts $z\lesssim 1$ for LIGO-Virgo), the stochastic gravitational-wave background accounts for the redshift integration of all gravitational-wave signals in the Universe. As a working example, we consider the branching ratio results from a model selection study that includes potential contribution from astrophysical and primordial channels. We renormalize the relative contribution of each channel to the detected event rate to compute the total stochastic gravitational-wave background energy density. The predicted amplitude lies below the current observational upper limits of GWTC-2 by LIGO-Virgo, indicating that the results of the model selection analysis are not ruled out by current background limits. Furthermore, given the set of population models and inferred branching ratios, we find that, even though the predicted background will not be detectable by current generation gravitational-wave detectors, it will be accessible by third-generation detectors such as the Einstein Telescope and space-based detectors such as LISA.

研究の動機と目的

• 二重ブラックホール合体に寄与する複数の形成チャネル（天体物理学的および原始的）の相対的寄与を独立して制約すること。
• 現在の検出器の赤方偏移限界（$z \lesssim 1$）を超えて、赤方偏移統合的性質を持つ確率的重力波背景（SGWB）を活用することで、モデル選択解析を拡張すること。
• 現在および将来の重力波観測所を用いた予測されたSGWBの検出可能性を評価すること。
• 個々のイベントカタログとは別に、高赤方偏移および検出されない源集団を制約するため、SGWBが補足的プローブとして機能できることを示すこと。
• 合体率密度に関するモデルの不確実性がSGWB予測にどのように影響するかを定量化し、観測事象に正規化することでその影響を軽減できることを示すこと。

提案手法

• GWTC-2データに基づくベイズ的モデル選択研究（Francioliniら 2021年）から得られた分岐比を用い、天体物理学的および原始的チャネルの合体率総体に占める相対的寄与を割り当てる。
• 44件の信頼性の高い検出事象をGWTC-2に合わせて各チャネルのイベントレートを正規化し、モデル依存の不確実性を低減する。
• 赤方偏移統合合体率と、合体するコンact天体二重系からのSGWBの標準的公式を用いて、全SGWBエネルギー密度スペクトル $\Omega_{\mathrm{GW}}(\nu)$ を計算する。
• 二重合体の期待に一致するように、SGWBに2/3のパワーロー・スペクトル指数を適用する。
• LIGO-Virgo（GWTC-3）の現在の観測上限、$\Omega_{\mathrm{GW}}(25\,\mathrm{Hz}) \leq 1.04 \times 10^{-9}$ と予測されたSGWB振幅を比較する。
• 第三世代検出器（エイントシュタイン・テレスコープおよびLISA）の感度曲線を用いて、検出可能性の見通しを評価する。地上および宇宙空間に設置された両方の観測所を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 確率的重力波背景（SGWB）は、天体物理学的および原始的ブラックホール形成チャネルの相対的寄与を独立して制約できるか？
• RQ2 SGWBの赤方偏移統合的性質は、検出器の可視距離限界（$z \lesssim 1$）に制限されるモデル選択解析をどのように改善するか？
• RQ3 GWTC-2に基づくモデル選択結果を観測合体率に正規化した場合、SGWBの予測振幅はどの程度か？
• RQ4 予測されたSGWB振幅は、現在のLIGO-Virgoの観測上限と整合性があるか？
• RQ5 将来の重力波検出器、すなわち第三世代の地上型または宇宙空間型検出器のうち、どの検出器がこのSGWBを検出可能か？

主な発見

• 25 Hzにおける予測されたSGWB振幅は $\Omega_{\mathrm{GW}}(25\,\mathrm{Hz}) = 1.11^{+0.16}_{-0.05} \times 10^{-10}$ であり、現在のLIGO-Virgoの上限 $1.04 \times 10^{-9}$ よりも著しく低い。
• SGWB予測は現在の観測制約と整合的であり、GWTC-2からのモデル選択結果が背景限界によって除外されないことを意味する。
• 予測されたSGWBは、感度閾値に対して低いため、現在の世代の検出器（LIGO-Virgo）では検出不可能である。
• 第三世代の地上型検出器（エイントシュタイン・テレスコープ）および宇宙空間型検出器（LISA）は、このSGWBを検出可能な十分な感度を持つと予想される。
• 個々のイベントカタログとSGWBマッピングを組み合わせることで、高赤方偏移および検出されない二重ブラックホール集団に関する補足的情報を得られる。
• SGWBは赤方偏移統合的プローブとして、個々のイベント検出の範囲外にある全合体歴史を調べるうえで、貴重なツールとなる。