[논문 리뷰] New binary black hole mergers in the LIGO-Virgo O3b data

A. K. Mehta, S. C. Olsen외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 11. 10.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 LIGO-Virgo O3b 데이터에서 정렬된 스핀 이중극자만을 사용하는 동시 검색 파이프라인을 통해 5개의 새로운 이중 블랙홀(BBH) 융합 후보를 탐지했다. 분석은 이전에 보고된 17개의 사건을 확인하고, 상하 질량 갭의 핵심 소스와 스핀-오비트 프리세션을 보이는 하나의 사건을 특정하여, 블랙홀 형성 채널에 대한 인구 추론을 향상시켰다.

ABSTRACT

We report the detection of 6 new candidate binary black hole (BBH) merger signals in the publicly released data from the second half of the third observing run (O3b) of advanced LIGO and advanced Virgo. The LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) collaboration reported 35 compact binary coalescences (CBCs) in their analysis of the O3b data [1], with 30 BBH mergers having coincidence in the Hanford and Livingston detectors. We confirm 17 of these for a total of 23 detections in our analysis of the Hanford-Livingston coincident O3b data. We identify candidates using a search pipeline employing aligned-spin quadrupole-only waveforms. Our pipeline is similar to the one used in our O3a coincident analysis [2], except for a few improvements in the veto procedure and the ranking statistic, and we continue to use an astrophysical probability of one half as our detection threshold, following the approach of the LVK catalogs. Most of the new candidates reported in this work are placed in the upper and lower-mass gap of the black hole (BH) mass distribution. We also identify a possible neutron star-black hole (NSBH) merger. We expect these events to help inform the black hole mass and spin distributions inferred in a full population analysis.

연구 동기 및 목표

• 공개된 LIGO 및 Virgo의 O3b 데이터에서 추가적인 이중 블랙홀(BBH) 융합 후보를 식별하기 위해.
• 상부 및 하부 질량 갭에서의 사건 탐지를 통해 블랙홀 질량 및 스핀 분포에 대한 이해를 향상시키기 위해.
• 스핀-오비트 프리세싱을 보이는 사건과 모호한 중성자별-블랙홀(NSBH) 후보의 천체물리적 의의를 조사하기 위해.
• 저신호대비잡음비 사건에서 사전 선택의 사후 분포에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 미래의 인구 분석 및 모델 비교를 위해 공개 가능한 사후 표본을 제공하기 위해.

제안 방법

• 정렬된 스핀 이중극자만을 사용하는 동시 검색 파이프라인을 적용하였으며, O3a 분석과 유사하지만 개선된 비트 제거 절차와 순위 통계를 포함하였다.
• 탐지 기준으로 천체물리적 확률 임계값 0.5(p_astro > 0.5)를 사용하였으며, LVK 카탈로그 관례와 일치시켰다.
• 효율적 스핀에 대해 평탄한 사전 분포를, 검출기 기준 질량과 공동체적 부피-시간(VT)에 대해 균일한 사전 분포를 사용하였으며, ΛCDM 우주론을 가정하였다.
• PyMultiNest 샘플러를 사용하여 베이지안 추론를 수행하였으며, 8192개의 라이브 포인트와 0.1의 로그-증거 오차를 설정하였다.
• cogwheel 패키지를 활용하여 사후 표본 추출 및 모델 비교를 수행하였으며, 프리세싱 대비 비프리세싱 모델에 대한 베이즈 요인 분석을 포함하였다.
• 다양한 스핀 사전 분포(χ_eff에 대한 균일한 사전 대비 개별 스핀에 대한 등방성 사전) 하에서 사후 이중모드성의 비교 분석을 수행하였다.

Figure 1 : The source-frame total mass and effective spin for the BBH events detected so far from all the search pipelines across the first three observing runs of LVK. Posterior contours enclose $50\%$ of the probability and the median is represented by a dot. For parameter inference, we use the IM

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정교화된 동시 검색 파이프라인을 사용하여 O3b 데이터에서 어떤 새로운 이중 블랙홀 융합 후보를 식별할 수 있는가?
• RQ2 신규로 탐지된 사건의 질량 및 스핀 분포는 블랙홀 형성 모델에서 알려진 질량 갭과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 신규 후보 사건 중 어느 것에서라도 스핀-오비트 프리세싱에 대한 증거가 있는가?
• RQ4 다른 스핀 사전 분포는 저신호대비잡음비 사건의 사후 분포와 천체물리적 해석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 보조 질량이 약 2.6 M☉인 후보 사건이 BBH인지 NSBH인지 확실히 분류할 수 있는가?

주요 결과

• O3b 데이터에서 5개의 새로운 BBH 융합 후보가 탐지되었으며, 천체물리적 확률은 0.51에서 0.77 사이였다.
• GW191122_214924라는 사건은 스핀-오비트 프리세싱에 강력한 증거를 보였으며, 프리세싱 모델에 대한 베이즈 요인은 8로 비프리세싱 모델을 우월하게 했다.
• GW191122_214924의 주 블랙홀은 확실히 상부 질량 갭(UMG)에 위치해 있으며, 소스 기준 질량이 45 M☉ 이상이었다.
• GW200316_235947의 보조 블랙홀은 하부 질량 갭(LMG)에 위치해 있으며, 소스 기준 질량은 약 2.6 M☉로, 가능성이 있는 NSBH 후보였다.
• 균일한 χ_eff 사전 하에서 GW191228_085854의 사후 분포에서 이중모드 구조가 관측되었으며, 이는 사전 선택에 민감함을 시사했고, LVK의 등방성 사전은 오직 한 개의 모드만 선택하였다.
• GW200109_195634는 신규 탐지 사건 중 최고의 적색편이(z ≈ 0.6)를 보였으며, Virgo 검출기의 기여가 두드러져 향후 다중 검출기 분석에서 더 높은 유의수준을 얻을 가능성이 있다.

Figure 2 : A closer look at one of our new events: GW $191122\_214924$ . Results are shown with the precessing waveform model IMRPhenomXPHM Pratten et al. ( 2021 ) , and also with the non-precessing limit of this waveform (labelled as IMRPhenomXPHM_Aligned ). The latter yields much lower log-likelih