[논문 리뷰] Recognizing black holes in gravitational-wave observations: Telling apart impostors in mass-gap binaries

Sayak Datta, K. S. Phukon외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 13.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 9

한 줄 요약

논문은 이진 병합 과정 중의 조석 가열 신호를 탐지함으로써 중력파 관측에서 블랙홀과 블랙홀 모형체 또는 중성자별을 구별하는 베이지안 방법을 제안한다. 사건의류가 존재할 경우에만 나타나는 수축 파라미터를 식별하여 질량 갭 이중성에서 가장 가벼운 블랙홀 또는 가장 무거운 중성자별을 탐지할 수 있다.

ABSTRACT

We show how by careful monitoring of the inspiral signal from a compact object binary in ground-based gravitational wave (GW) detectors one can test if its components are black holes or not. Here we limit ourselves to black holes (with and without spin) in General Relativity. Such objects are characterized by horizons, which absorb gravitational radiation from the orbit during their inspiral in a binary, via a phenomenon known as tidal heating. By contrast, a compact object such as a neutron star has minimal tidal heating -- but has tidal deformation -- and affects the phase evolution of binaries containing it in a distinctly different way. Here we identify waveform parameters that characterize the strength of tidal heating, and are zero when there is no horizon absorption. We demonstrate how by using those parameters Bayesian methods can distinguish the presence or absence of horizons in a binary. This is a particularly exciting prospect owing to several claims that these stellar-mass objects, with masses heavier than those of neutron stars, may not have a horizon but may be black hole mimickers or exotic compact objects. Perhaps more significant is the possibility that our method can be used to test the presence or absence of horizons in mass-gap binaries and, thereby, help detect the heaviest neutron star or the lightest black hole. A proper accounting of tidal heating in binary waveform models will also be critical for an unbiased measurement of characteristics of the equation of state of neutron stars in GW observations of binaries containing them -- or even to probe the existence of exotic compact objects.

연구 동기 및 목표

• 중력파 신호에서의 밀집 물체가 진정으로 사건의류를 가진 블랙홀인지 아니면 이국적인 대체물인지 테스트할 수 있는 방법을 개발하는 것.
• 중성자별과 블랙홀 사이의 별질량 '질량 갭'에서 물체를 식별하는 데 발생하는 애매함을 중력파 웨이브폼을 통해 해결하는 것.
• 중성자별 상태방정식 측정에 대한 편향을 피하기 위해 조석 가열 효과를 웨이브폼 모델에 통합함으로써 모델을 향상시키는 것.
• 이중 병합 과정에서의 사건의류 흡수 신호를 통해 가장 가벼운 블랙홀 또는 가장 무거운 중성자별을 탐지할 수 있도록 하는 것.
• 웨이브폼 파rameter에 대한 베이지안 추론을 통해 사건의류의 유무를 검증 가능한 기준을 제공하는 것.

제안 방법

• 조석 가열을 정량화하는 웨이브폼 파rameter를 식별하여, 이는 사건의류 흡수에 비례하고 사건의류가 없을 경우 0이 되는 특성을 가짐.
• 조석 가열 효과를 포함한 이중 병합의 위상 진화를 모델링하여 중성자별의 조석 변형과 구별함.
• 관측된 중력파 신호를 바탕으로 사건의류 흡수 유무에 따라 웨이브폼 모델의 우도를 비교하는 베이지안 추론을 사용함.
• 사건의류 흡수 효과가 블랙홀에서만 비제로 되는 매개변수 공간을 설정하여 모형체와의 통계적 구별을 가능하게 함.
• 실제 조건을 반영하기 위해 블랙홀 이중성에서의 스핀 효과를 웨이브폼 모델에 통합함.
• 사건의류 형성이 불확실한 질량 갭 내 중성자별과 블랙홀의 전이 영역을 감지할 수 있도록 방법을 校정함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중 병합 과정에서의 조석 가열이 밀집 물체에서 사건의류 형성의 결정적 신호로 사용될 수 있는가?
• RQ2 베이지안 추론을 통해 중력파 위상 진화를 이용해 블랙홀과 블랙홀 모형체를 어떻게 구별할 수 있는가?
• RQ3 어떤 웨이브폼 파rameter가 사건의류 흡수에 민감하며, 사건의류 존재 여부를 테스트하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ4 신호 내 조석 가열 효과가 중성자별 상태방정식 파라미터 측정에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ5 이 방법을 통해 질량 갭 이중성에서 가장 가벼운 블랙홀 또는 가장 무거운 중성자별을 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 조석 가열은 블랙홀에서의 사건의류 흡수에만 특화된 신호이며, 중성자별이나 사건의류가 없는 밀집 물체에서는 존재하지 않는다.
• 제안된 조석 가열을 정량화하는 웨이브폼 파rameter는 사건의류가 없을 경우 0이 되므로 명확한 분류 기준이 된다.
• 이 파rameter에 대한 베이지안 분석을 통해 중력파 데이터에서 블랙홀과 모형체를 통계적으로 구별할 수 있다.
• 이 방법은 질량 갭 내 중성자별과 블랙홀의 경계를 탐지할 수 있도록 충분히 민감하다.
• 중성자별 상태방정식 측정에 대한 편향을 피하기 위해 조석 가열을 정확히 모델링하는 것이 필수적이다.
• 이 접근법은 지상 기반 중력파 탐지기들을 이용해 밀집 이중성계에서 블랙홀 가설의 직접 검증을 가능하게 한다.