[논문 리뷰] Correlations in parameter estimation of low-mass eccentric binaries: GW151226 & GW170608

E. O’Shea, P. Kumar|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 19.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 저질량 이중 블랙홀 시스템에서 궤도 이심률이 준원형 웨이브폼 템플릿을 사용할 때 파arameter 추정에 어떤 편향을 유도하는지 조사한다. 연구 결과, 이심률이 증가할수록 찌르프 질량이 최대 10%까지 과대평가되고, 질량 비율이 1에 수렴하는 경향이 있음을 발견하였다. 실제 데이터 분석에서 GW151226와 GW170608의 경우 비스핀 우선순위 조건 하에서 허구적인 이심률 신호가 나타났으며, 정렬된 스핀과 이심률을 포함한 모델을 사용할 경우 각각 e < 0.15 및 e < 0.12로 최종 제약 조건이 설정되었다.

ABSTRACT

The eccentricity of binary black hole mergers is predicted to be an indicator of the history of their formation. In particular, eccentricity is a strong signature of dynamical formation rather than formation by stellar evolution in isolated stellar systems. It has been shown that searches for eccentric signals with quasi-circular templates can lead to loss of SNR, and some signals could be missed by such a pipeline. We investigate the efficacy of the existing quasi-circular parameter estimation pipelines to determine the source parameters of such eccentric systems. We create a set of simulated signals with eccentricity up to 0.3 and find that as the eccentricity increases, the recovered mass parameters are consistent with those of a binary with up to a $\approx 10\%$ higher chirp mass and mass ratio closer to unity. We also employ a full inspiral-merger-ringdown waveform model to perform parameter estimation on two gravitational wave events, GW151226 and GW170608, to investigate this bias on real data. We find that the correlation between the masses and eccentricity persists in real data, but that there is also a correlation between the measured eccentricity and effective spin. In particular, using a non-spinning prior results in a spurious eccentricity measurement for GW151226. Performing parameter estimation with an aligned spin, eccentric model, we constrain the eccentricities of GW151226 and GW170608 to be $<0.15$ and $<0.12$ respectively.

연구 동기 및 목표

• 표준 준원형 템플릿를 사용할 때 이심도가 중력파 신호의 파aram터 추정에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 비스핀 우선순위 조건 하에서 잘못된 웨이브폼 모델링으로 인해 허구적인 이심도 신호가 발생하는지 조사하기 위해.
• 정렬된 스핀을 포함한 완전한 인spiraling-merging-ringdown 웨이브폼 모델을 사용하여 실제 사건인 GW151226과 GW170608의 이심도를 제약하기 위해.
• 모의 및 실제 중력파 신호에서 질량 파aram터와 이심도 간의 상관관계를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 저질량 이중 시스템을 모의하기 위해 시간 영역 웨이브폼을 사용하여 최대 0.3의 이심도를 가진 모의 중력파 신호를 생성하였다.
• 이러한 모의 신호에 표준 준원형 파aram터 추정 파ipeline를 적용하여 복구된 질량 파aram터에서의 편향을 평가하였다.
• 완전한 인스피레이팅-머징-링다운 웨이브폼 모델을 사용하여 실제 사건인 GW151226과 GW170608의 파aram터 추정을 수행하였다. 이 모델은 이심도와 정렬된 스핀 성분을 포함한다.
• 비스핀 우선순위 조건에서의 결과를 정렬된 스핀과 이심도를 포함한 모델의 결과와 비교하여 스핀 가정이 이심도 추정에 미치는 영향을 분리하였다.
• 베이지안 추론과 내재 샘플링을 사용하여 질량, 스핀, 이심도 파aram터의 사후 분포를 계산하였다.
• 사후 분석과 근사화를 통해 질량 파aram터, 이심도, 효율적 스핀 간의 상관관계를 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 준원형 웨이브폼 템플릿를 사용할 때 이심도가 증가할수록 질량 파aram터 추정의 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 실제 중력파 사건에서 스핀에 대한 잘못된 가정으로 인해 파aram터 추정 과정에서 허구적인 이심도 신호가 어느 정도 발생하는가?
• RQ3 정렬된 스핀과 이심도를 포함한 웨이브폼 모델을 사용할 때 GW151226과 GW170608의 이심도 상한선은 무엇인가?
• RQ4 실제 GW 사건에서 측정된 이심도와 효율적 스핀 간의 상관관계는 얼마나 강한가?
• RQ5 모의 신호에서 이심도를 모델링하지 않은 상태에서 찌르프 질량과 질량 비율 추정에 발생하는 편향을 정량화할 수 있는가?

주요 결과

• 이심도가 최대 0.3까지 있는 모의 신호에서, 복구된 찌르프 질량은 진짜 값보다 약 10% 정도 과대평가되었다.
• 이심도가 증가할수록 복구된 질량 비율은 1에 수렴하는 경향을 보이며, 이는 이심도와 질량 비율 간의 디제너레이션(degeneracy)을 시사한다.
• GW151226에서는 비스핀 우선순위 조건이 스핀 효과를 모델링하지 못함으로써 허구적인 이심도 측정값이 나타났다.
• 정렬된 스핀과 이심도를 포함한 모델을 사용할 경우, GW151226의 이심도는 높은 신뢰도로 0.15 이하로 제약을 받는다.
• GW170608의 경우 동일한 모델링 프레임워크 하에서 이심도는 0.12 이하로 제약을 받는다.
• 실제 데이터에서 측정된 이심도와 효율적 스핀 간에 유의미한 상관관계가 관측되었으며, 이는 파aram터 추정 과정에서 스핀과 이심도가 상호 디제너레이션됨을 시사한다.