[논문 리뷰] Boxing Day Surprise: Higher Multipoles and Orbital Precession in GW151226

Horng Sheng Chia, Seth Olsen외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 13.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 궤도 프리세션과 고차 다중극을 포함한 웨이브폼 모델을 사용하여 중력파 사건 GW151226를 재분석하여, 이전에 보고되지 않은 낮은 질량비 솔루션을 발견하였다. 이 솔루션의 구성 성분 질량은 약 29 M⊙와 약 4.3 M⊙이며, 강한 스핀 유도 프리세션과 낮은 블랙홀 질량 갭 내에 위치한다. 이 새로운 모드는 표준 높은 질량비 솔루션보다 로그 우도가 6점 높으며, 천체물리학적 해석을 크게 변화시킨다.

ABSTRACT

We present a reanalysis of GW151226, the second binary black hole merger discovered by the LIGO-Virgo Collaboration. Previous analysis showed that the best-fit waveform for this event corresponded to the merger of a $\sim 14 \, M_\odot$ black hole with a $\sim 7.5 \, M_\odot$ companion. In this work, we perform parameter estimation using a waveform model that includes the effects of orbital precession and higher-order radiative multipoles, and find that the mass and spin parameters of GW151226 have bimodal posterior distributions. The two modes are separated in mass ratio, $q$: the high-$q$ mode ($0.4 \lesssim q < 1$) is consistent with the results reported in the literature. On the other hand, the low-$q$ mode ($q \lesssim 0.4$), which describes a binary with component masses of $\sim 29 \, M_\odot$ and $\sim \, 4.3 M_\odot$, is new. The low-$q$ mode has several interesting properties: (a) the secondary black hole mass may fall in the lower mass gap of astrophysical black hole population; and (b) orbital precession is driven by the primary black hole spin, which has a dimensionless magnitude as large as $\sim 0.88$ and is tilted away from the orbital angular momentum at an angle of $\sim 47^\circ$. The new low-$q$ mode has a log likelihood that is about six points higher than that of the high-$q$ mode, and can therefore affect the astrophysical interpretation of GW151226. Crucially, we show that the low-$q$ mode disappears if we neglect either higher multipoles or orbital precession in the parameter estimation. More generally, this work highlights how incorporating additional physical effects into waveform models used in parameter estimations can alter the interpretation of gravitational-wave sources.

연구 동기 및 목표

• 웨이브폼 모델에 궤도 프리세션과 고차 다중극을 포함시켜 GW151226의 매개변수 추정을 재평가한다.
• 이전에 간과된 물리적 효과가 이 사건에 대한 대안적 천체물리학적 해석을 이끌 수 있는지 조사한다.
• 새로운 솔루션이 프리세션 또는 다중극을 생략하는 등의 모델 단순화에 대해 얼마나 강인한지 확인한다.
• 새로운 낮은 질량비 모드가 표준 높은 질량비 솔루션에 비해 통계적으로 얼마나 유의미한지 평가한다.

제안 방법

• 궤도 프리세션과 고차 다중극을 모두 포함한 웨이브폼 모델을 사용하여 베이지안 매개변수 추정 프레임워크를 적용한다.
• 웨이브폼 모델은 스핀-오르빗 결합과 복사 방출의 축 대칭성 부족을 고려하여 프리세싱 이중성의 정확한 표현을 가능하게 한다.
• 마르코프 체인 몬테카를로 샘플링을 사용하여 질량비, 스핀, 궤도 경향성에 대한 사후 분포를 계산한다.
• 새로운 솔루션의 강인성을 시험하기 위해 프리세션 또는 고차 다중극을 배제한 더 단순한 모델과 모델의 우도를 비교한다.
• 낮은 q 모드의 로그 우도를 정량화하고 고전적 높은 q 모드와 비교하여 통계적 선호도를 평가한다.
• 모델에서 프리세션 또는 다중극을 체계적으로 제거함으로써 각 물리적 효과의 기여도를 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 웨이브폼 모델에 궤도 프리세션과 고차 다중극을 포함시키면 GW151226에 대해 별개의 통계적으로 선호되는 솔루션이 도출되는가?
• RQ2 성분 질량이 약 29 M⊙와 약 4.3 M⊙인 낮은 질량비 이중성이 데이터를 바탕으로 GW151226에 대한 타당한 설명이 될 수 있는가?
• RQ3 새로운 낮은 q 모드에서 주 블랙홀 스핀은 궤도 프리세션을 이끄는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 새로운 솔루션의 통계적 유의미성은 표준 높은 질량비 해석과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ5 낮은 q 모드는 모델 복잡성의 산물일 뿐이며, 프리세션 또는 다중극을 배제하면 사라지는가?

주요 결과

• 궤도 프리세션과 고차 다중극을 포함시키면 GW151226의 질량비에 대해 이중성 사후 분포가 나타나며, 이전에 보고되지 않은 낮은 질량비 모드가 q ≲ 0.4에서 존재한다.
• 낮은 q 모드는 약 29 M⊙와 4.3 M⊙의 성분 질량을 가진 이중성로, 보조 성분이 낮은 블랙홀 질량 갭 내에 위치한다.
• 낮은 q 모드의 주 블랙홀은 스핀 크기가 약 ∼0.88이며 궤도 운동량에서 약 ∼47° 기울어져 있어 강한 프리세션을 유도한다.
• 낮은 q 모드의 로그 우도는 고전적 높은 q 모드보다 약 6점 높아, 더 강한 통계적 지지가 있음을 나타낸다.
• 웨이브폼 모델에서 궤도 프리세션 또는 고차 다중극을 배제하면 낮은 q 모드가 사라지며, 이는 그 존재에 필수적임을 확인한다.
• 이 연구는 웨이브폼 모델에 고급 물리 효과를 통합함으로써 중력파 사건의 천체물리학적 해석이 근본적으로 변화할 수 있음을 보여준다.