[논문 리뷰] Parameter Estimation Bias From Overlapping Binary Black Hole Events In Second Generation Interferometers

P. Relton, V. Raymond|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 30.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 57인용 수 39

한 줄 요약

이 논문은 제2세대 중력파 탐지기에서 겹치는 이중 블랙홀(BBH) 병합으로 인한 매개변수 추정 편향을 조사한다. 분석적 및 시뮬레이션 기반 방법을 사용하여, 현재의 매개변수 추정 기법이 병합 시간 간격이 최소 0.1초 이상이거나 신호 대 잡음비(SNR)가 현저히 다를 경우 겹치는 BBH 신호를 신뢰성 있게 구분할 수 있음을 보여주지만, 한 신호가 탐지 임계값 이하일 경우에도 편향이 발생할 수 있음을 밝힌다.

ABSTRACT

Since the initial detection of Gravitational Waves in 2015, 50 candidate events have been reported by the LIGO-Virgo-KAGRA collaboration. As the current generation of detectors move towards their design sensitivity the rate of these detections will increase. The next generation of detectors are likely to have high enough sensitivities that multiple merging binaries will be visible at the same time. In this paper we show that this is likely to happen before the end of the decade, with the move to the LIGO-Voyager detector. We investigate the situation of overlapping Binary-Black-Hole mergers in these detectors. We find that current parameter estimation techniques are capable of distinguishing the louder of two merging BBH events, without significant bias, when their merger times are not less than $\sim0.1$ seconds apart and when the ratio of the signal-to-noise ratios of the systems is uneven. This region of overlapping parameter space is dependent upon the sky locations of the signals and the relation of those locations to the light travel time between detectors. We also find that, if two signals are highly overlapping, then the recovered set of parameters often show strong evidence of precession. Finally we show that bias can occur even when the signal causing the bias is below the detection threshold.

연구 동기 및 목표

• 제2세대 중력파 탐지기에서 겹치는 BBH 신호로 인한 매개변수 추정 편향의 위험을 평가하기 위해.
• 현재의 매개변수 추정 기법을 사용할 때 겹치는 신호가 신뢰성 있게 구분될 수 있는 조건을 규명하기 위해.
• 신호 겹침이 이중 블랙홀 시스템의 스핀 프리세션 모델링과 매개변수 추론에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 향후 LIGO-Voyager 관측에서 겹치는 BBH 사건의 확률을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 병합 빈도와 신호 지속 시간을 바탕으로 겹치는 BBH 병합의 확률을 모델링하기 위해 포isson 통계를 사용하였다.
• 전력스펙트럼밀도(PSD)와 BNS/BBH 범위 규칙을 사용하여 탐지 가능성의 신호 대 잡음비(SNR) 임계값을 계산하였다.
• 시간 간격과 SNR 비율을 다양하게 설정한 겹치는 BBH 웨이브폼을 시뮬레이션하여 매개변수 추정 성능을 테스트하였다.
• 사전 프리세션 웨이브폼 모델(예: PhenomPv2)을 사용한 베이지안 매개변수 추정을 적용하여 병합된 신호로부터 시스템 매개변수를 추론하였다.
• 복원된 매개변수를 주입된 진짜 값과 비교하여 편향을 평가하였으며, 주로 질량, 스핀 및 프리세션 매개변수에 중점을 두었다.
• inspiral-range 패키지와 탐지기 PSD를 사용하여 aLIGO, LIGO-Voyager, 에인슈타인 전파망원경 등의 다양한 탐지기 구성에서 탐지 범위와 신호 지속 시간을 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제2세대 탐지기인 LIGO-Voyager에서 겹치는 BBH 병합의 확률은 얼마인가?
• RQ2 현재의 매개변수 추정 기법이 상당한 편향 없이 두 개의 겹치는 BBH 신호를 구분할 수 있는 조건은 무엇인가?
• RQ3 신호 겹침은 이중 블랙홀 시스템에서 스핀 프리세션 추론에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 한 신호가 탐지 임계값 이하일 경우에도 매개변수 추정에서 편향이 발생할 수 있는가?
• RQ5 천체 위치와 탐지기 간의 빛 전파 시간 기반 지연이 겹치는 신호의 탐지 가능성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 병합 간격이 0.1초 이상이거나 두 신호 간의 신호 대 잡음비 비율이 다를 경우, 겹치는 BBH 신호는 상당한 편향 없이 신뢰성 있게 구분될 수 있다.
• LIGO-Voyager에서 겹치는 사건의 확률은 다음 십년 내로 무시할 수 없을 정도로 높아질 것으로 예상되며, 특히 탐지 빈도가 증가함에 따라 더욱 그렇다.
• 신호가 매우 겹쳐질 경우, 진짜 신호가 프리세션을 하지 않더라도 매개변수 추정에서 스핀 프리세션에 강한 증거가 나타나는 경우가 많다.
• 한 신호가 탐지 임계값 이하일 경우에도 매개변수 추정에서 편향이 발생할 수 있으며, 이는 탐지되지 않은 겹치는 사건이 여전히 결과를 왜곡시킬 수 있음을 시사한다.
• 겹치는 신호의 탐지 가능성은 천체 위치와 탐지기 간의 빛 전파 시간 기반 기준 길이에 의해 결정되며, 이는 웨이브폼 간섭의 정도에 영향을 미친다.