[논문 리뷰] Quantifying the evidence for primordial black holes in LIGO/Virgo gravitational-wave data.

Gabriele Franciolini, Vishal Baibhav외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 07.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 27

한 줄 요약

이 연구는 LIGO/Virgo GWTC-2 카탈로그를 대상으로 계층적 베이지안 분석을 수행하여 이중 블랙홀 병합에서 기원 블랙홀(PBHs)에 대한 증거를 평가한다. 일부 형성 시나리오, 특히 안정된 질량 이동 채널를 포함한 경우, PBHs가 천체물리학적 모델보다 뚜렷하게 지배된다는 것을 발견하였으며, GW190521과 같은 상부 질량 갭 내의 사건들을 설명할 수 있다. 그러나 이 증거는 가정된 천체물리학적 모델에 크게 의존한다.

ABSTRACT

With approximately 50 binary black hole events detected by LIGO/Virgo to date and many more expected in the next few years, gravitational-wave astronomy is shifting from individual-event analyses to population studies. We perform a hierarchical Bayesian analysis on the GWTC-2 catalog by combining several astrophysical formation models with a population of primordial black holes. We compute the Bayesian evidence for a primordial population compared to the null hypothesis, and the inferred fraction of primordial black holes in the data. We find that these quantities depend on the set of assumed astrophysical models: the evidence for primordial black holes against an astrophysical-only multichannel model is decisively favored in some scenarios, but it is significantly reduced in the presence of a dominant stable-mass-transfer isolated formation channel. The primordial channel can explain mergers in the upper mass gap such as GW190521, but (depending on the astrophysical channels we consider) a significant fraction of the events could be of primordial origin even if we neglected GW190521. The tantalizing possibility that LIGO/Virgo may have already detected black holes formed after inflation should be verified by reducing uncertainties in astrophysical and primordial formation models, and it may ultimately be confirmed by third-generation interferometers.

연구 동기 및 목표

• LIGO/Virgo GWTC-2 중력파 카탈로그에서 기원 블랙홀(PBHs)에 대한 베이지안 증거를 평가하기 위해.
• 다른 천체물리학적 형성 모델에 비해 유추된 PBH 비율이 어떻게 달라지는지 평가하기 위해.
• GW190521와 같은 관측된 사건들, 특히 상부 질량 갭 내의 시스템들을 PBHs가 어떻게 설명할 수 있는지 결정하기 위해.
• 현재 데이터가 인플레이션 이후에 형성된 기원 블랙홀의 감지 가능 신호를 포함하고 있는지 조사하기 위해.
• 현재 데이터에서 PBH 증거를 해석하는 데 영향을 미치는 형성 모델의 주요 불확실성 요소를 규명하기 위해.

제안 방법

• GWTC-2 카탈로그에 계층적 베이지안 프레임워크를 적용하여 다수의 천체물리학적 형성 채널과 기원 블랙홀 집단을 동시에 모델링한다.
• 고립된 이중 별 진화와 안정된 질량 이동을 포함한 다양한 천체물리학적 모델을 기원 블랙홀 집단(로그노멀 질량 함수를 가짐)과 결합한다.
• 전체 다중채널 모델(천체물리학적 + PBH)이 천체물리학적 모델만을 가정하는 귀무가설과 비교될 때의 베이지안 증거를 계산한다.
• 블랙홀 질량과 적색이동의 측정 불확실성을 고려하여, 중력파 파rameter 추정에서 유도된 우도를 사용한다.
• 인플레이션 이후 기원 기원 블랙홀의 질량 분포와 일치하는 다양한 PBH 형성 시나리오를 포함한다.
• 베이즈 요인을 사용하여 PBHs에 대한 증거의 강도를 천체물리학적 형성 채널과 비교하여 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기원 블랙홀 집단이 LIGO/Virgo GWTC-2 카탈로그에 존재하는지에 대한 베이지안 증거는 순수 천체물리학적 형성 모델과 비교해 볼 때 어떻게 평가되는가?
• RQ2 기원 블랙홀은 관측된 병합 사건, 특히 GW190521과 상부 질량 갭 내의 다른 시스템들을 설명할 수 있는가?
• RQ3 유추된 기원 블랙홀 비율은 가정된 천체물리학적 형성 채널 세트에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 주로 안정된 질량 이동 채널이 지배하는 경우, 기원 블랙홀에 대한 증거는 어느 정도 감소하는가?
• RQ5 현재 중력파 데이터는 초기 우주에서 형성된 기원 블랙홀의 감지 가능 신호를 이미 포함하고 있는가?

주요 결과

• 특정 형성 시나리오, 특히 주로 안정된 질량 이동 채널이 없는 경우, 기원 블랙홀에 대한 베이지안 증거는 천체물리학적 모델보다 뚜렷하게 지배된다.
• 주로 안정된 질량 이동 고립 형성 채널이 지배하는 경우, 기원 블랙홀에 대한 증거는 크게 감소하며, 이는 결과가 모델에 의존한다는 것을 시사한다.
• 기원 블랙홀은 GW190521와 같은 상부 질량 갭 내의 병합을 설명할 수 있으며, 이 사건이 분석에서 제외된 경우에도 마찬가지다.
• GW190521가 제외된 상태에서도, 기반 블랙홀 병합 사건의 상당 부분이 여전히 기원 기원 기원으로 기원할 수 있으며, 이는 가정된 천체물리학적 모델 세트에 따라 달라진다.
• LIGO/Virgo가 이미 기원 블랙홀을 감지했을 가능성은 여전히 열려 있으며, 그러나 이를 확인하기 위해서는 형성 모델의 파rameter 불확실성을 줄여야 한다.
• 제3세대 중력파 간섭계는 궁극적으로 일부 감지된 블랙홀의 기원 기원 기원을 확인할 수 있을 것이다.