[논문 리뷰] How to identify the gravitational wave events from merging stellar mass black binaries like GW150914

Shuang‐Nan Zhang, Yuan Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 09.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 9인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 블랙홀 병합 사건인 GW150914와 같은 별질량 블랙홀에서 발생하는 중력파(GW) 이벤트의 식별을 조사하며, 블랙홀 성장 역학과 펄서 타이밍을 통한 탐지 가능성에 대해 분석한다. 연구 결과, GW150914 유사 사건은 펄서 타이밍을 통해 탐지될 수 없으며, 정적인 블랙홀 성장 모델과도 부합하지 않으며, 사건의 사건장 근처 시공간을 탐사하기 위해 고감도 중력파 탐지기가 필요하다는 점을 시사한다.

ABSTRACT

Aims: We study how to identify the gravitational wave events from merging stellar mass black binaries like GW150914. Methods: We briefly investigate the possible growth and merging processes of the two stellar mass black holes in the merging event of GW150914 detected by aLIGO, as clocked by a distant external observer, as well as the prospect of detecting the GW150914-like events using pulsar timing. Results: Our main results are: (1) The description of the black hole growth using stationary metric of a pre-existing black hole is inconsistent with GW150914; (2) Only gravitational wave radiation can be produced in the coalescence of two black holes such as that in the GW150914 event; and (3) Pulsar timing can not detect the GW150914-like events. Conclusions: Future high sensitivity detections of gravitational waves from merging black holes might be used to probe matter distribution and space-time geometry in the vicinity of the horizon. Perhaps the GW150914-like events can be identified with traditional astronomy observations only if the black holes are embedded in extremely dense medium before their final merge, when very strong electromagnetic radiation is produced and can escape from the system.

연구 동기 및 목표

• 멀리 떨어진 관측자 시점에서 관측된 GW150914 블랙홀 병합 사건을 유도하는 물리적 과정을 이해하기 위해.
• 펄서 타이밍 어레이가 GW150914 유사 중력파 사건을 탐지할 수 있는지 평가하기 위해.
• 이러한 시스템에서 블랙홀 성장이 정적인 메트릭스로 기술될 수 있는지 평가하기 위해.
• 최종 병합 단계 동안 기대되는 전자기 및 중력파 서명을 규명하기 위해.
• 기존 전자기 천문학 기법을 통해 GW150914 유사 사건이 식별될 수 있는 조건을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 기존 블랙홀의 정적인 메트릭스를 사용하여 GW150914 시스템 내 블랙홀 성장 모델링하기.
• 멀리 떨어진 외부 관측자 시점에서 이진 시스템의 시간에 따른 진화 분석하기.
• 두 별질량 블랙홀의 최종 병합 단계 동안 중력파 방출 평가하기.
• 펄서 타이밍 어레이 기법을 사용하여 GW150914 유사 신호의 탐지 가능성 평가하기.
• 전자기 복사가 병합 중 블랙홀 시스템에서 탈출할 수 있는 조건 조사하기.
• aLIGO의 관측 제약 조건과 이론적 예측의 중력파 방출 비교하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GW150914 시스템 내 블랙홀 성장은 정적인 메트릭스로 일관되게 기술될 수 있는가?
• RQ2 두 별질량 블랙홀의 병합 과정에서 어떤 종류의 복사가 발생하는가?
• RQ3 펄서 타이밍 어레이를 통해 GW150914 유사 사건을 탐지할 수 있는가?
• RQ4 GW150914 유사 사건의 전자기 대응체가 관측 가능한 조건은 무엇인가?
• RQ5 미래 고감도 중력파 탐지기는 어떻게 블랙홀 사건장 근처의 시공간 기하학을 탐사할 수 있는가?

주요 결과

• 정적인 메트릭스를 사용한 블랙홀 성장 기술은 관측된 GW150914 사건과 부합하지 않는다.
• GW150914 유사 시스템에서 두 블랙홀의 병합 과정 동안 유일하게 중력파 복사만 발생한다.
• 펄서 타이밍 어레이는 GW150914 유사 중력파 사건을 탐지할 수 없다.
• 블랙홀들이 매우 밀도 높은 매질에 둘러싸여 있어 강한 전자기 복사가 탈출할 수 있는 조건이 충족될 경우를 제외하고는, GW150914 유사 사건은 기존 천문학적 방법으로만 식별 가능할 수 있다.
• 미래 고감도 중력파 탐지기는 블랙홀 사건장 근처의 물질 분포와 시공간 기하학을 탐사할 수 있다.
• GW150914에서 전자기 대응체가 관측되지 않은 것은, 극단적인 환경 조건이 충족되지 않는 한 이러한 사건들이 기존 전자기 수 Mittel로는 탐지되지 않는다는 것을 시사한다.