[논문 리뷰] 4-OGC: Catalog of gravitational waves from compact-binary mergers

A. Nitz, S. Kumar외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 13.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 79인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 2015–2020년 동안 Advanced LIGO와 Virgo의 O1–O3b 런 동안 관측한 94개의 밀집 이중성 병합(90개의 BBH, 2개의 NSBH, 2개의 BNS)에 대한 종합 분석인 4-OGC 카탈로그를 제시한다. 이 중 O3b에서 7개의 새로운 고신뢰도 BBH 탐지가 포함되어 있다. 주요 기여는 장비 캘리브레이션 불확실성을 반영한 업데이트된 매개변수 추정치와 하위 임계값 후보자들 전체를 포함한 것으로, GW200318_191337은 적색편이 0.84인 가능성이 있는 먼 병합으로 특정되었다.

ABSTRACT

We present the fourth Open Gravitational-wave Catalog (4-OGC) of binary neutron star (BNS), binary black hole (BBH) and neutron star-black hole (NSBH) mergers. The catalog includes observations from 2015-2020 covering the first through third observing runs (O1, O2, O3a, O3b) of Advanced LIGO and Advanced Virgo. The updated catalog includes 7 BBH mergers which were not previously reported with high significance during O3b for a total of 94 observations: 90 BBHs, 2 NSBHs, and 2 BNSs. The most confident new detection, GW200318_191337, has component masses $49.1^{+16.4}_{-12.0} extrm{M}_\odot$ and $31.6^{+12.0}_{-11.6} extrm{M}_\odot$; its redshift of $0.84^{+0.4}_{-0.35}$ ($90\%$ credible interval) may make it the most distant merger so far. We estimate the merger rate of BBH sources, assuming a powerlaw mass distribution containing an additive Gaussian peak, to be $16.5_{-6.2}^{+10.4} (25.0_{-8.0}^{+12.6})$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$ at a redshift of $z=0$ ($0.2$). For BNS and NSBH sources, we estimate a merger rate of $200^{+309}_{-148}$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$ and $19^{+30}_{-14}$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$, respectively, assuming the known sources are representative of the total population. We provide reference parameter estimates for each of these sources using an up-to-date model accounting for instrumental calibration uncertainty. The corresponding data release also includes our full set of sub-threshold candidates.

연구 동기 및 목표

• Advanced LIGO와 Advanced Virgo의 첫 네 번째 관측 런 동안의 밀집 이중성 병합에서 유도된 중력파 신호에 대한 종합적이고 공개 가능한 카탈로그를 제공하기 위해.
• 중력파 신호 분석에 장비 캘리브레이션 불확실성을 통합하여 매개변수 추정치를 향상시키기 위해.
• O3b의 후반부에서 이전에 보고되지 않은 고신뢰도 BBH 병합을 식별하고 검증하기 위해.
• 관측된 표본과 힘의 법칙에 가우시안 피크를 더한 질량 모델을 사용하여 BBH, BNS, NSBH 시스템의 인구 수준 병합 비율을 추정하기 위해.
• 다양한 천문학적 데이터 세트(전자기파, 중성자, 광학적 변동)와의 복합 관측 후속 연구를 지원하기 위해 하위 임계값 후보자 전체를 공개하기 위해.

제안 방법

• 2015년부터 2020년까지의 공개된 LIGO 및 Virgo 데이터를 심층적으로 분석하여 O1, O2, O3a, O3b 관측 런을 포함했다.
• 캘리브레이션 불확실성에 대한 통합을 위해 베이지안 추론 프레임워크를 적용하여 소스 매개변수의 사후 분포를 계산하였으며, 구성 요소 질량, 적색편이, 스핀을 포함하였다.
• 신뢰도 탐지 기준으로 P_astro > 0.5 또는 가짜 경고 빈도 < 100년에 한 번 이하를 사용하였다.
• 고질량 시스템을 고려하기 위해 힘의 법칙 질량 분포에 가우시안 피크를 추가한 BBH 병합 비율을 모델링하였다.
• 관측된 소스가 전체 인구 집단을 대표한다고 가정하고, 동일한 우도 프레임워크를 사용하여 BNS 및 NSBH 병합 비율을 추정하였다.
• 모든 하위 임계값 후보자 및 완전한 매개변수 추정치를 공동 데이터 배포를 통해 보다 넓은 공동 연구자 공동체의 사용을 위해 공개하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Advanced LIGO와 Advanced Virgo의 첫 네 번째 관측 런 동안 유도된 밀집 이중성 병합 신호의 전체 집합은 무엇인가요?
• RQ2 O3b 데이터 세그먼트에서 이전에 보고되지 않았던 새로운 고신뢰도 BBH 병합은 무엇이며, 어떤 특징을 지닙니까?
• RQ3 장비 캘리브레이션 불확실성은 중력파 소스 매개변수의 사후 추정치에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ4 이중 블랙홀, 이중 중성자별, 중성자별–블랙홀 시스템의 인구 수준 병합 비율은 무엇인가요?
• RQ5 하위 임계값 후보자들은 다양한 천문학적 데이터 세트 간의 복합 관측 후속 연구를 어떻게 지원할 수 있나요?

주요 결과

• 4-OGC 카탈로그에는 94개의 확실한 밀집 이중성 병합 탐지가 포함되어 있다: 90개의 이중 블랙홀, 2개의 중성자별–블랙홀 시스템, 2개의 이중 중성자별.
• O3b에서 7개의 새로운 고신뢰도 BBH 병합이 탐지되었으며, 그 중 GW200318_191337는 구성 요소 질량이 각각 49.1⁺¹⁶.⁴₋₁₂.⁰ M☉ 및 31.6⁺¹².⁰₋₁₁.⁶ M☉이며, 적색편이 0.84⁺⁰.⁴₋₀.³⁵로, 가장 먼 병합으로 보일 가능성이 있다.
• 힘의 법칙 질량 분포에 가우시안 피크를 추가한 가정 하에 BBH 병합 비율은 16.5⁺¹⁰.⁴₋⁶.² Gpc⁻³ yr⁻¹ (z=0) 또는 25.0⁺¹².⁶₋⁸.₀ Gpc⁻³ yr⁻¹ (z=0.2)로 추정되었다.
• 관측된 표본을 바탕으로 BNS 병합 비율은 200⁺³⁰⁹₋¹⁴⁸ Gpc⁻³ yr⁻¹, NSBH 비율은 19⁺³⁰₋¹⁴ Gpc⁻³ yr⁻¹로 추정되었다.
• 장비 캘리브레이션 불확실성을 반영한 최신 모델을 사용하여 모든 94개의 소스에 대한 기준 매개변수 추정치를 제공함으로써 사후 정확도를 향상시켰다.
• 모든 하위 임계값 후보자와 완전한 매개변수 추정치를 포함한 완전한 데이터 배포를 통해 향후 감마선 폭발, 고에너지 중성자, 광학적 변동과의 복합 상관 분석 연구를 가능하게 하였다.