[논문 리뷰] Adding harmonics to the interpretation of the black hole mergers of GWTC-1

M. Mateu-Lucena, S. Husa외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 12.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 GWTC-1 목록에 포함된 10개의 이중 블랙홀 병합 사례를 보다 향상된 IMRPhenom 웨이브폼 모델을 사용해 재분석하였으며, 이 모델은 보조적인 구면 조화 함수 모드를 포함한다. 전반적으로 일관된 결과를 도출했지만, 특히 고차 모드의 영향을 측정할 수 있었으며, GW170729의 경우 후행 분포가 더 불균형한 질량으로 이동하고, 주 질량이 $57.3^{+12.0}_{-10.9}$ 태양 질량으로 추정되어 쌍-불안정성 초신성 질량 갭의 하한 근처에 위치함을 확인하였다.

ABSTRACT

We consider the ten confidently detected gravitational wave signals in the GWTC-1 catalog [1] which are consistent with mergers of binary black hole systems, and re-analyze them with waveform models that contain subdominant spherical harmonic modes. This analysis is based on the current (fourth) generation of the IMRPhenom family of phenomenological waveform models, which consists of the IMRPhenomX frequency-domain models [2-5] and the IMRPhenomT time-domain models [6-8]. We find overall consistent results, with all Jensen-Shannon divergences between the previous results using IMRPhenomPv2 and our default IMRPhenomXPHM posterior results below 0.045 bits. Effects of subdominant harmonics are however visible for several events, and for GW170729 our new time domain IMRPhenomTPHM model provides the best fit and shifts the posterior further toward more unequal masses and a higher primary mass of $57.3^{+12.0}_{-10.9}$ solar masses at the lower end of the PISN mass gap.

연구 동기 및 목표

• GWTC-1 내 이중 블랙홀 병합 사례에 대한 해석에 보조적인 구면 조화 함수 모드가 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 현상학적 웨이브폼 모델에 고차 모드 성분을 통합함으로써 매개변수 추정 정확도를 향상시키기 위해.
• 이러한 모드의 포함 여부가 후행 분포에 영향을 주는지, 특히 비대칭적이거나 고질량 시스템에서 어떻게 변화하는지 조사하기 위해.
• 시간 도메인 및 주파수 도메인의 새로운 IMRPhenomXPHM 및 IMRPhenomTPHM 모델이 관측 신호를 얼마나 잘 맞추는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 보조적인 (l,m) = (2,1), (2,0), (3,3) 구면 조화 함수 모드를 포함한 제4세대 IMRPhenomXPHM (주파수 도메인) 및 IMRPhenomTPHM (시간 도메인) 웨이브폼 모델을 사용한다.
• 베이지안 추론을 통해 이중 블랙홀 매개변수의 후행 분포를 계산하며, IMRPhenomXPHM와 기본 모델인 IMRPhenomPv2의 결과를 비교한다.
• 신규 모델과 이전 모델 간의 후행 분포 차이를 정량화하기 위해 젠슨-섀넌 수렴을 계산한다.
• 분석은 10개의 확실한 GWTC-1 이벤트에 적용되며, 고질량과 비대칭 성향을 보이는 GW170729에 특히 초점을 맞춘다.
• 베이지안 증거 및 적합도 지표를 사용해 모델 비교를 수행하여, 고차 모드 모델이 데이터를 더 잘 기술하는지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보조적인 구면 조화 함수 모드가 GWTC-1 내 이중 블랙홀 병합 사례의 추정 매개변수에 유의미한 영향을 미치는가?
• RQ2 웨이브폼 모델에 고차 모드 성분을 포함했을 때 질량 및 스핀 매개변수의 후행 분포는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 특히 GW170729와 같은 일부 이벤트에 대해, IMRPhenomTPHM 시간 도메인 모델이 IMRPhenomXPHM보다 더 나은 적합도를 보이는가?
• RQ4 고차 모드의 포함 여부가 GW170729의 추정 주 질량을 쌍-불안정성 초신성 질량 갭의 하한 근처로 이동시키는가?
• RQ5 표준 IMRPhenomPv2 모델과 새로운 IMRPhenomXPHM/TPHM 모델 간의 후행 추론에 대한 정량적 차이는 무엇인가?

주요 결과

• 모든 10개의 GWTC-1 이벤트에 대해 IMRPhenomPv2와 IMRPhenomXPHM 간의 젠슨-섀넌 수렴은 0.045 비트 이하로, 전반적인 일관성을 나타낸다.
• 보조적인 조화 함수 모드는 매개변수 추정에 측정 가능한 영향을 미치며, 특히 GW170729의 경우 후행 분포가 더 불균형한 질량 비율 쪽으로 이동한다.
• GW170729의 경우, IMRPhenomTPHM 모델이 테스트한 모든 모델 중에서 가장 뛰어난 적합도를 보이며, 신호의 고차 모드 성분을 더 잘 기술한다.
• GW170729의 주 질량은 $57.3^{+12.0}_{-10.9}$ 태양 질량으로 추정되어 쌍-불안정성 초신성 질량 갭의 하한 근처에 위치한다.
• 고차 모드를 포함함으로써 질량 분포는 더 비대칭이 되었으며, 표준 모델 대비 주 질량은 더 높고 보조 질량는 더 낮은 후행 분포를 선호한다.