[논문 리뷰] Post-Newtonian waveform for charged binary black hole inspirals and analysis with GWTC-1 events

Hai-Tian Wang, Peng-Cheng Li외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 26.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 35인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 전하를 가진 이중 블랙홀 병합에서의 제로스터드 오더 포스트뉴턴 웨이브폼 모델을 개발하고, LIGO-Virgo의 GWTC-1 사건들에 대해 베이지안 추론을 적용한다. 현재의 전하 제약 조건은 이전의 페셔 정보 행렬 추정치와 일관되며, 제약 조건을 향상시키기 위해 전체적인 전하를 가진 병합-진입-진동 웨이브폼이 필요하다는 점을 강조한다.

ABSTRACT

In the first two-year runs of advanced LIGO/Virgo, ten black hole binary merger events have been formally reported. These gravitational wave signals have significantly enhanced our understanding of the black hole astrophysics. In general, the properties of a black hole are comprehensively described by its mass, spin, and charge. The third parameter is often ignored because of the very low value expected in the realistic astrophysical environment. In this work, we constrain the amount of charge in a way which is equivalent to the parameterized post-Einsteinian framework by treating the charge as a small perturbation in a Bayesian way, and we find that the current limits on charges are similar to the ones obtained by the Fisher information matrix method in previous works. Then we develop a zeroth order post-Newtonian waveform for charged binary black hole inspiral and apply this charged waveform to the binary black hole merger events observed by LIGO-Virgo in their first two runs. A Bayesian model selection is performed in proper frequency range among the zero-order post-Newtonian waveform, the zero-order charged post-Newtonian waveform, and the early-inspiral stage of the inspiral-merger-ringdown waveform. Finally, we obtain several constraints on the binary black hole charges and discuss the possible extension of our work. Our work demonstrates the necessity for the development of a full inspiral-merger-ringdown waveform for charged binary black hole merger, with which the more robust constraints can be yielded.

연구 동기 및 목표

• 자연에서 기대되는 작은 값이지만, 중력파 신호에서 블랙홀 전하의 천체물리학적 중요성을 조사하기 위해.
• 베이지안 프레임워크 내에서 전기적 전하를 작은 교란항으로 포함시켜 포스트뉴턴 웨이브폼을 확장하기 위해.
• 모델 선택에서 표준 및 전체적인 병합-진입-진동 웨이브폼과 비교하여 제로스터드 오더 전하가 있는 포스트뉴턴 웨이브폼의 성능을 평가하기 위해.
• 실제 LIGO-Virgo의 GWTC-1 데이터를 사용하여 이중 블랙홀 전하에 대한 제약 조건을 유도하기 위해.
• 더 정밀한 정밀도를 확보하기 위해 완전한 전하가 있는 병합-진입-진동 웨이브폼 개발의 필요성을 제기하기 위해.

제안 방법

• 블랙홀 전하를 포스트뉴턴 전개에서 작은 교란항으로 간주하여, 표준 웨이브폼에 전기역학적 효과를 포함시켜 수정한다.
• 세 가지 웨이브폼 모델—표준 포스트뉴턴, 전하가 있는 포스트뉴턴, 그리고 초기 병합 단계의 IMR 웨이브폼—을 비교하기 위해 베이지안 모델 선택 프레임워크를 적용한다.
• 웨이브폼 모델링의 일관성을 확보하기 위해 병합 단계에 적합한 주파수 범위를 사용한다.
• LIGO-Virgo의 GWTC-1 사례 목록을 사용하여 매개변수 추정과 모델 비교를 수행한다.
• 특정 전하 생성 메커니즘을 가정하지 않고 전하를 제약 조건화하기 위해 파arameterized post-Einsteinian 접근법을 사용한다.
• 이전 연구에서 페셔 정보 행렬 방법으로 구한 결과와 베이지안 증거 및 사후 분포를 비교하여 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블랙홀 전하의 포함이 포스트뉴턴 근사에서 중력파 웨이브폼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 전하가 있는 포스트뉴턴 웨이브폼으로 모델링했을 때, GWTC-1 사례에서 이중 블랙홀 전하에 대한 베이지안 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 베이지안 접근법으로 구한 제약 조건은 페셔 정보 행렬 방법으로 이전에 확보한 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 표준 포스트뉴턴, 전하가 있는 포스트뉴턴, 또는 초기 병합 단계의 IMR 웨이브폼 중에서 관측된 GWTC-1 사례에 가장 잘 맞는 모델은 무엇인가?
• RQ5 전하가 있는 블랙홀 병합의 맥락에서 향후 웨이브폼 모델링에 어떤 함의가 있는가?

주요 결과

• 베이지안 제약 조건은 이전 연구에서 페셔 정보 행렬 방법으로 확보한 결과와 일관되며 일치한다.
• 제로스터드 오더 전하가 있는 포스트뉴턴 웨이브폼은 이중 블랙홀 병합의 초기 병합 신호를 분석하는 데 실현 가능하고 일관된 모델을 제공한다.
• 모델 선택 결과 일부 사례에서 표준 포스트뉴턴 모델 대비 전하가 있는 포스트뉴턴 모델이 유리하게 평가되지만, 전하가 물리적 매개변수임을 확인할 수 있을 정도의 강력한 증거는 아니다.
• 결과는 현재 데이터가 전하의 포함을 필요로 하지 않지만, 가능한 전하 값에 대한 의미 있는 상한을 설정하고 있음을 시사한다.
• 이 연구는 더 정교하고 정밀한 제약 조건을 확보하기 위해 전하가 있는 이중 블랙홀 병합에 대한 완전한 병합-진입-진동 웨이브폼 개발의 필요성을 입증한다.
• 이 작업은 향후 중력파 천문학에서 전하가 있는 블랙홀 시스템에 대한 베이지안 분석의 기초를 마련한다.