[논문 리뷰] Confusing head-on and precessing intermediate-mass binary black hole mergers

J. Calderón Bustillo, N. Sanchis-Gual외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 02.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 궤도가 거의 원형이면서 비대칭적인 중간 질량 블랙홀 이중성에서 발생하는 중력파 신호와 머리撞 충돌에서 발생하는 신호 사이에 비슷한 특성이 있음을 드러내며, 총 질량이 130에서 310 태양질량 사이인 머리撞 충돌은 표준 매개변수 추정에서 비대칭적인 이중성과 구별되지 않음을 보여주고 있다. 이는 전형적인 Advanced LIGO 감도 수준에서 거리 및 질량 추정치에 오류를 초래할 수 있으며, 전용 웨이브폼 모델과 천체물리적 사전 확률을 사용하지 않으면 이를 수정할 수 없다.

ABSTRACT

We report a degeneracy between the gravitational-wave signals from quasi-circular precessing black-hole mergers and those from extremely eccentric mergers, namely head-on collisions. Performing model selection on numerically simulated signals of head-on collisions using models for quasi-circular binaries we find that, for signal-to-noise ratios consistent with Advanced LIGO observations, head-on mergers with total mass $M\in (130,310)M_\odot$ would be identified as a precessing quasi-circular intermediate-mass black hole binary, located at a much larger distance. Ruling out the head-on scenario would require to perform model selection using currently nonexistent waveform models for head-on collisions, together with the application of astrophysically motivated priors on the (rare) occurrence of those events. We show that in situations where standard parameter inference of compact binaries may report component masses inside (outside) the pair-instability supernova gap, the true object may be a head-on merger with masses outside (inside) this gap. We briefly discuss the potential implications of these findings for the recent gravitational-wave detection GW190521.

연구 동기 및 목표

• 중력파 데이터 분석에서 머리撞 이중 블랙홀 병합이 비대칭적인 거의 원형 이중성으로 오해당할 수 있는지 조사하기.
• 이 비슷함이 쌍불화 불안정성 초신성 갭의 맥락에서 매개변수 추정에 미치는 영향 평가하기.
• 실제 탐지에서 머리撞 시나리오를 배제하기 위해 전용 웨이브폼 모델과 천체물리적 사전 확률이 얼마나 필요한지 평가하기.
• GW190521 및 유사한 중간 질량 블랙홀 병합 사건의 해석에 이 비슷함이 미치는 잠재적 영향 검토하기.

제안 방법

• 총 질량이 130–310 M☉ 범위인 블랙홀의 머리撞 충돌에서 중력파 신호 시뮬레이션하기.
• 이 시뮬레이션된 신호에 대해 표준 거의 원형 비대칭 이중성 웨이브폼 모델을 사용해 모델 선택 수행하기.
• 일반적인 Advanced LIGO 신호 대 잡음 비율에서 표준 매개변수 추정 기법을 적용해 추정된 질량과 거리 평가하기.
• 진짜 신호가 머리撞 병합인지 비대칭 이중성인지에 따라 추정 결과의 강건성 평가하기.
• 미래의 머리撞 병합 웨이브폼 모델의 필요성과 천체물리적 사전 확률이 두 시나리오를 구분하는 데서 수행하는 역할 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 머리撞 이중 블랙홀 병합이 중력파 데이터에서 통계적으로 비대칭적인 거의 원형 이중성과 구별되지 않을 수 있는가?
• RQ2 이 비슷함이 매개변수 추정에서 추정된 구성 성분 질량과 빛의 거리에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 이 비슷함이 쌍불화 불안정성 초신성 질량 갭 근처 또는 이를 넘어서는 사건의 해석에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 천체물리적 사전 확률과 전용 웨이브폼 모델이 이 모순을 해결하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 이 비슷함이 GW190521 및 유사한 중간 질량 블랙홀 병합 후보 사건의 해석에 어떻게 영향을 줄 수 있는가?

주요 결과

• Advanced LIGO 감도 수준에서 표준 매개변수 추정에서 총 질량이 130에서 310 M☉ 사이인 머리撞 병합은 비대칭적인 거의 원형 이중성과 통계적으로 구별되지 않는다.
• 이러한 머리撞 병합는 실제 거리보다 훨씬 더 큰 빛의 거리에서 항상 비대칭 이중성으로 잘못 분류된다.
• 구성 성분 질량이 쌍불화 불안정성 초신성 갭 내에 있을 경우, 진짜 시스템은 갭 외부의 질량을 가진 머리撞 병합일 수 있다.
• 반대로, 질량이 갭 외부로 추정될 경우, 진짜 시스템은 갭 내부의 질량을 가진 머리撞 병합일 수 있다.
• 머리撞 시나리오를 배제하기 위해서는 머리撞 병합를 위한 웨이브폼 모델과 천체물리적으로 타당한 사전 확률이 필요하며, 이러한 자료는 현재 표준 분석 파이프라인에서 이용 가능하지 않다.