[논문 리뷰] Capability for detection of GW190521-like binary black holes with TianQin

Shuai Liu, Liang-Gui Zhu외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 11.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 134인용 수 31

한 줄 요약

이 논문은 천경이 GW190521 유사 중간질량 블랙홀 이진계를 탐지할 능력을 평가하며, 신호 대 잡음비(SNR) > 8일 경우 최대 12개의 소스를 식별하고, 병합 시점은 1초 이내, 천구 위치는 1 deg² 이내로 정밀하게 국소화할 수 있음을 보여준다. SNR > 12일 경우, 천경은 이러한 거대한 시스템을 탐지할 수 있으며 허블 상수를 10% 정밀도로 제약할 수 있고, 궤도 이심도 측정을 통해 10⁻⁴ 상대 정밀도로 형성 경로를 구분할 수 있다.

ABSTRACT

The detection of GW190521 gains huge attention because it is the most massive binary that LIGO and Virgo ever confidently detected until the release of GWTC-3 (GW190426_190642 is more massive), and it is the first black hole merger whose remnant is believed to be an intermediate mass black hole. Furthermore, the primary black hole mass falls in the black hole mass gap, where the pair-instability supernova prevents the formation of astrophysical black holes in this range. In this paper, we systematically explore the prospect of TianQin on detecting GW190521-like sources. For sources with small orbital eccentricities, (i) TianQin could resolve up to a dozen of sources with signal-to-noise ratio (SNR) larger than 8. Even if the signal-to-noise ratio threshold increases to 12, TianQin could still detect GW190521-like binaries. (ii) The parameters of sources merging within several years would be precisely recovered. The precision of coalescence time and sky localization closes to $1\ { m s}$ and $1\ { m deg^{2}}$ respectively. This indicates that TianQin could provide early warnings for ground-based gravitational waves detectors and electromagnetic telescopes for these sources. Furthermore, TianQin could distinguish the formation channels of these sources by measuring the orbital eccentricities with a relative precision of $10^{-4}$. (iii) TianQin could constrain the Hubble constant with a $10\%$ precision with GW190521-like sources. Finally, for very eccentric GW190521-like sources, although their gravitational wave signal might be too weak for TianQin to detect, even the null detection of TianQin could still present a significant contribution to the understanding of the underlying science.

연구 동기 및 목표

• GW190521 유사 이중 블랙홀의 천경 탐지 능력을 평가하여, 중간질량 블랙홀 형성에 있어 가장 질량이 크고 중요한 천체 중 하나임을 확인한다.
• 특히 병합 시점과 천구 위치 국소화 정밀도를 포함한 매개변수 추정 정밀도를 조사하여, 지상 기반 탐지기 및 전자기 망원경에 대한 조기 경고를 가능하게 한다.
• 고립된 이중 별 진화와 천체 역학적 과정 간의 차이를 반영하는 궤도 이심도 측정을 통해 천경이 형성 경로를 어떻게 구분할 수 있는지 탐구한다.
• GW190521 유사 사건을 표준 소리원으로 사용하여 우주론적 매개변수, 특히 허블 상수의 추정에 기여하는 정도를 평가한다.
• 강한 이심도를 가진 시스템이 탐지되지 않더라도, 그에 대한 null 검출이 형성 모델과 환경 효과를 제약하는 데 어떤 과학적 가치를 지니는지 평가한다.

제안 방법

• 초기 분석을 위해 작은 궤도 이심도(e ≲ 0.1)를 가정하고, 3PN 웨이브폼 모델에 이심도를 포함하여 GW190521 유사 이중 블랙홀에서의 중력파 신호를 시뮬레이션한다.
• 5년 관측 기간 동안 천경의 감도 곡선([95]에서 유래)을 사용하여 매칭 필터링을 적용하고, '3개월 켜기, 3개월 끄기'의 작업 주기와 함께 단일 및 쌍성 궤도 구성을 고려한다.
• 표준 매칭 필터 신호 대 잡음비 공식을 사용하여 신호 대 잡음비(SNR)를 추정하고, 매개변수 추정 정밀도에 대한 전체 피셔 정보 행렬을 통합한다.
• 피셔 정보 행렬 근사를 사용하여 베이지안 매개변수 추정을 수행하여 병합 시점, 천구 위치, 기타 매개변수의 불확실성을 계산한다.
• 허블 상수 제약 평가를 위해 GW190521 유사 소스를 표준 소리원으로 간주하고, 매개변수 복원에서 유도된 광도 거리 추정치를 활용한다.
• 이심도 측정 정밀도 평가를 위해 피셔 정보 행렬을 사용하여 이심도 상대 오차를 계산하고, 향후 지상 기반 탐지기와의 공동 관측을 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 천경은 SNR > 8 및 SNR > 12 조건에서 얼마나 많은 GW190521 유사 이중 블랙홀 사건을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 천경은 병합 중인 GW190521 유사 이중 블랙홀에 대해 1초 이내의 시점 정밀도와 1도 이내의 천구 위치 정밀도를 달성할 수 있는가? 이는 지상 기반 및 전자기 후속 관측을 위한 조기 경고를 가능하게 하는가?
• RQ3 천경이 약 10⁻⁴ 상대 정밀도로 궤도 이심도를 측정함으로써, 고립된 이중 별 진화(낮은 e)와 천체 역학적 과정(측정 가능한 e) 간의 형성 경로를 어느 정도로 명확히 구분할 수 있는가?
• RQ4 천경은 GW190521 유사 소스를 표준 소리원으로 사용하여 허블 상수를 어느 정도의 정밀도로 제약할 수 있는가?
• RQ5 강한 이심도를 가진 GW190521 유사 시스템이 신호가 약해져 탐지되지 않더라도, 천경의 null 검출이 형성 메커니즘과 환경 효과를 이해하는 데 어떤 과학적 가치를 지니는가?

주요 결과

• 실제 관측 조건(데이터 갭 포함)에서도 천경은 SNR > 8 조건에서 최대 12개의 GW190521 유사 이중 블랙홀 사건을 탐지할 수 있다.
• 병합 시점이 몇 년 내로 예상되는 소스에 대해 천경은 병합 시점을 약 1초 이내로 국소화하고, 천구 위치를 1 deg² 이내로 정밀하게 추정할 수 있다.
• SNR 임계치를 12로 상향조정하더라도 천경은 GW190521 유사 이중 블랙홀을 탐지할 수 있으며, 가장 질량이 큰 천체에 대해 강력한 감도를 보임을 시사한다.
• 천경은 궤도 이심도를 상대 정밀도 10⁻⁴로 측정할 수 있어, 고립된 이중 별 진화로 형성된 이진계(낮은 e)와 천체 역학적 과정으로 형성된 이진계(측정 가능한 e)를 명확히 구분할 수 있다.
• GW190521 유사 소스는 표준 소리원으로 사용되어 매개변수 복원에서 유도된 광도 거리 추정치를 바탕으로 허블 상수를 약 10% 정밀도로 제약할 수 있다.
• 강한 이심도를 가진 GW190521 유사 시스템이 신호가 약해져 탐지되지 않더라도, 천경의 null 검출은 형성 모델과 환경 효과를 제약하는 데 있어 상당한 과학적 가치를 지닌다.