[논문 리뷰] GW190426_152155: a merger of neutron star-black hole or low mass binary black holes?

Yin-Jie Li, Ming-Zhe Han외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 09.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 7인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 베이지안 추론을 사용하여 다수의 웨이브폼과 질량 비율 사전 확률을 고려해 중력파 후보 GW190426_152155를 재분석하였으며, 이 사건이 중성자별-블랙홀 병합이 아닌 저질량 이중 블랙홀 병합일 가능성도 동일하게 존재한다고 밝혔다. 분석 결과, 병합률은 $59^{+137}_{-51}~{}\mathrm{Gpc}^{-3}~{}\mathrm{yr}^{-1}$로 추정되었으며, 신호의 낮은 스핀과 음의 유효 스핀은 동적 기원을 시사하지만, 블랙홀 스핀이 약하기 때문에 NSBH 시나리오에서는 밝은 전자기 방출이 발생할 가능성이 낮다.

ABSTRACT

GW190426_152155 was recently reported as one of the 39 candidate gravitational wave (GW) events in \citet{2020arXiv201014527A}, which has an unusual source-frame chirp mass $\sim 2.4M_{\odot}$ and may be the first GW signal from a neutron star-black hole (NSBH) merger. Assuming an astrophysical origin, we reanalyze GW190426_152155 using several waveforms with different characteristics, and consider two different priors for the mass ratio of the binary (Uniform and LogUniform). We find that the results are influenced by the priors of mass ratio, and this candidate could also be from the merger of two low mass black holes (BH). In the case for a binary black hole (BBH) merger, the effective spin is likely negative and the effective precession spin is non-negligible. As for the NSBH merger, supposing the mass of the light object follow the distribution of current neutron stars (NSs) with a reasonably measured/constrained mass, the spin of the low mass BH is so small that is hard to generate bright electromagnetic emission. Finally, we estimate a merger rate of GW190426\_152155-like systems to be $59^{+137}_{-51}~{ m Gpc}^{-3}~{ m yr}^{-1}$.

연구 동기 및 목표

• GW190426_152155의 천체물리적 기원을 재평가하기 위해, 약 2.4 M☉의 치르프 질량을 가진 중력파 후보 사건을 대상으로 한다.
• 이 사건이 중성자별-블랙홀(NSBH) 병합인지, 저질량 이중 블랙홀(BBH) 병합인지 더 확률적으로 판단하기 위해 분석한다.
• 소스 파rameter 추론에 대한 질량 비율 사전 확률(균일 및 로그균일)의 영향을 평가한다.
• GW190426_152155 유사 시스템의 병합률을 추정하고, NSBH 시나리오에서 전자기 탐지 가능성 여부를 평가한다.
• 스핀 특성에 기반해 블랙홀 형성 메커니즘, 특히 동적 캡처에 대한 함의를 검토한다.

제안 방법

• IMRPhenomXPHM 웨이브폼 모델을 사용한 Bilby 소프트웨어 기반 베이지안 파rameter 추정.
• 질량 비율 사전 확률로 균일 및 로그균일을 비교하여 사전 민감도를 평가한다.
• 감지 체적과 위험률을 추정하기 위해 인젝션 기반 캘리브레이션을 수행하여 천체물리적 병합률을 산정한다.
• 병합률에 대한 사후 분포를 유도하기 위해 포isson 우도 프레임워크 내에서 제퍼리스 사전(R⁻⁰.⁵)을 사용한다.
• 유효 스핀과 유효 프리세션 스핀에 대한 추론을 통해 형성 채널을 평가한다.
• 병합률 추정 방법의 타당성을 검증하기 위해 GW190521과 GW190814를 사용한 교차검증을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GW190426_152155는 중성자별-블랙홀 병합이 아닌 저질량 이중 블랙홀 병합으로 설명될 수 있는가?
• RQ2 질량 비율 사전의 선택이 추론된 소스 파rameter에 얼마나 민감한가?
• RQ3 GW190426_152155 유사 시스템의 예상 병합률은 얼마이며, 이는 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 블랙홀 스핀 제약 조건을 고려할 때, NSBH 해석이 관측 가능한 전자기 병합체를 유도할 수 있는가?
• RQ5 스핀 특성은 이 이중성계의 형성 메커니즘에 대해 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 이 사건은 음의 유효 스핀과 명백한 유효 프리세션 스핀을 보이며, 저질량 이중 블랙홀 병합과 일치하며, 동적 형성 채널의 가능성을 시사한다.
• 질량 비율 사전의 선택은 사후 추론에 크게 영향을 미치며, 이는 저신호대비비율(SNR) 사건의 해석에 사전 가정이 강하게 영향을 미친다는 것을 의미한다.
• GW190426_152155 유사 시스템의 병합률은 $59^{+137}_{-51}~{}\mathrm{Gpc}^{-3}~{}\mathrm{yr}^{-1}$로 추정되었으며, NSBH 병합에 대한 문헌 예측과 일치한다.
• NSBH 시나리오에서는 블랙홀 스핀이 너무 낮아 밝은 전자기 방출을 일으키지 못하며, 이로 인해 다중메시저 천문학으로서 이러한 사건을 탐지하기는 어렵다.
• 병합률 추정은 유일하게 감지된 사건으로 인한 포isson 불확실성에 의해 주로 제한된다.
• GW190521과 GW190814를 이용한 교차검증 결과, 병합률 추정 방법이 이전 연구와 일관된 결과를 도출함을 확인하였다.