[論文レビュー] Waveforms and fluxes: Towards a self-consistent effective one body waveform model for nonprecessing, coalescing black-hole binaries for third generation detectors

Angelica Albertini, Alessandro Nagar+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 67被引用数 21

ひとこと要約

本論文は、非摂動的ブラックホール二重星系に対して、次に準円形（NQC）補正を放射反動フラックスに組み込むことで、向上した自己整合的効果的1体（EOB）波形モデル、TEOBResumS_NQC_lmを提示する。ℓ = m ≤ 5 モードに対して、動的挙動と波形の整合性が向上し、534件のSXSシミュレーションにおいてEOB/NR不一致が10⁻³未満に低下した。高スピン系では性能がわずかに低下するが、最大で約5×10⁻³に留まり、第3世代重力波検出器の基盤として堅牢である。

ABSTRACT

We present a comprehensive comparison between numerical relativity (NR) angular momentum fluxes at infinity and the corresponding quantity entering the radiation reaction in TEOBResumS, an Effective-One-Body (EOB) waveform model for nonprecessing coalescing black hole binaries on quasi-circular orbits. This comparison prompted us to implement two changes in the model: (i) including Next-to-Quasi-Circular corrections in the $\ell=m$, $\ell\leq 5$ multipoles entering the radiation reaction and (ii) consequently updating the NR-informed spin-orbital sector of the model. This yields a new waveform model that presents a higher self-consistency between waveform and dynamics and an improved agreement with NR simulations. We test the model computing the EOB/NR unfaithfulness $\bar{F}_{ m EOB/NR}$ over all 534 spin-aligned configurations available through the Simulating eXtreme Spacetime catalog, notably using the noise spectral density of Advanced LIGO, Einstein Telescope and Cosmic Explorer, for total mass up to $500M_\odot$. We find that the maximum unfaithfulness $\bar{F}^{ m max}_{ m EOB/NR}$ is mostly between $10^{-4}$ and $10^{-3}$, and the performance progressively worsens up to $\sim 5 imes 10^{-3}$ as the effective spin of the system is increased. We perform similar analyses on the \SEOB{} model, that delivers $\bar{F}^{ m max}_{ m EOB/NR}$ values uniformly distributed versus effective spin and mostly between $10^{-3}$ and $10^{-2}$. We conclude that the improved TEOBResumS model already represents a reliable and robust first step towards the development of highly accurate waveform templates for third generation detectors.

研究の動機と目的

• 放射反動フラックスモデルの改善により、EOB動的挙動と波形の間の自己整合性を高めること。
• 特に支配的でないℓ = m = 2モードを超える高次ℓ = m多重極において、EOBと数値相対論（NR）フラックスの不一致を是正すること。
• 第3世代重力波検出器に適した、非摂動的かつ合体するブラックホール二重星系のより正確なEOBモデルの構築。
• 改善されたNQC補正とNNNLO有効スピン-軌道パラメータc3の新しいフィットを用いて、NRに裏付けられたスピン-軌道領域を更新すること。

提案手法

• 534件のSXS NRシミュレーションから、スピン重み付き球面調和関数分解と時域積分を用いて角運動量フラックスを計算する。
• 標準的なTEOBResumSモデルのNRフラックスとを比較し、特にℓ = m ≤ 5モードにおける乖離を特定する。
• ℓ = m ≤ 5モードにおけるEOB放射反動に、次に準円形（NQC）補正を組み込み、フラックス整合性を向上させる。
• 更新されたNQC補正フラックスを用いて、NRに裏付けられたNNNLOスピン-軌道パラメータc3を再フィットし、モデルの動的領域を精緻化する。
• NQC補正フラックスと改善されたc3フィットを組み合わせて、新しいTEOBResumS_NQC_lmモデルを構築する。
• 全パrameter空間にわたり、Advanced LIGO、Einstein Telescope、Cosmic Explorerのノイズ曲線を用いて、EOB/NR不一致を評価することでモデルの精度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EOBとNRの角運動量フラックスは、ℓ = m ≤ 5モードにおいてどのように比較されるか。乖離はどこに生じるか？
• RQ2 放射反動におけるNQC補正は、EOBモデルのフラックス整合性と波形精度にどのような影響を与えるか？
• RQ3 動的挙動に使用されるフラックスと波形に使用されるフラックスを一致させることで、自己整合的EOBモデルを構築可能か？
• RQ4 異なる有効スピン値の範囲において、改善されたTEOBResumS_NQC_lmモデルのEOB/NR不一致は、SEOBNRv4HMと比べてどのように異なるか？
• RQ5 新しいモデルは、第3世代重力波検出器の精度要件をどの程度満たしているか？

主な発見

• ℓ = m ≤ 5 フラックスにNQC補正を組み込むことで、EOBとNRの角運動量フラックスの整合性が顕著に向上し、合体直前まで1%未満の一致が達成された。
• 改善されたTEOBResumS_NQC_lmモデルにより、534件のSXS設定すべてにおいてEOB/NR不一致が最大で約5×10⁻³に低下し、大多数の値は10⁻⁴から10⁻³の範囲に収束した。
• TEOBResumS_NQC_lmの性能は有効スピンの変動に対しても堅牢であり、高スピンでも不一致がわずかに増加するにとどまり、SEOBNRv4HMとは異なり一貫して高い不一致を示さない。
• NNNLOスピン-軌道パラメータc3のNRに裏付けられたフィットが見直され、EOBハミルトニアンの動的領域が向上した。
• TEOBResumS_NQC_lmは、不一致の一貫性においてSEOBNRv4HMを上回り、後者ではスピン範囲全域で10⁻³から10⁻²の範囲で一貫して高い値を示した。
• 更新されたモデルは、Einstein Telescope や Cosmic Explorer のような第3世代重力波検出器に求められる、極めて高精度で自己整合的なEOB波形への重要な一歩を踏み出している。