[논문 리뷰] Search for Lensed Gravitational Waves Including Morse Phase Information: An Intriguing Candidate in O2

Liang Dai, Barak Zackay외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 24.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 37인용 수 50

한 줄 요약

본 논문은 LIGO-Virgo O2 데이터에서 강한 렌즈링과 다중 이미지를 가진 중력파를 탐색하고, Morse 위상 정보를 활용해 드문 BBH 사건 3중 렌즈를 식별하고 렌즈 가능성을 평가합니다.

ABSTRACT

We search for strongly lensed and multiply imaged gravitational wave signals in the second observing run of Advanced LIGO and Advanced Virgo (O2). We exploit a new source of information, the so-called Morse phase, which further mitigates the search background and constrains viable lenses. The best candidate we find is consistent with a strongly lensed signal from a massive binary black hole (BBH) merger, with three detected images consisting of the previously catalogued events GW170104 and GW170814, and a subthreshold trigger, GWC170620. Given the number of BBH events detected so far, we estimate an overall false alarm probability $\sim 10^{-4}$ for the observed high degree of parameter coincidence between the three events. On the flip side, we measure the Morse phase differences which suggest a complex and atypical lens system, with at least five images including a magnified image at a local maximum of the Fermat potential. The low prior probability for multiple lensed images and the amount of fine tuning required in the lens model reduce the credibility of the lensing hypothesis. The long time delays between lensed images point toward a galaxy cluster lens with an internal velocity dispersion $σ\sim 650\,{ m km/s}$, and the observed strain amplitudes imply a likely range $0.4 < z \lesssim 0.7$ for the source redshift. We provide an error ellipse of $\sim 16\,{ m deg}^2$ for the sky location of the source together with additional specific constraints on the lens-host system, and encourage follow-up efforts to confirm or rule out any viable lens. If this is indeed a lensed event, successfully pinpointing the system would offer a unique opportunity to identify the host galaxy of a BBH merger, and even localize the source within it.

연구 동기 및 목표

• O2 데이터에서 이중 블랙홀 병합의 강한 중력렌즈 효과 가능성을 동기 부여하고 정량화한다.
• 검색 배경을 감소시키고 실행 가능한 렌즈 모델을 제한하기 위해 Morse 위상 정보를 도입한다.
• GW170104, GWC170620, GW170814의 세 이벤트 렌즈 이미지 후보의 통계적 유의성을 평가한다.
• 렌즈 효과 가설하에서 고유 매개변수와 외재적 매개변수를 공동으로 추정하고 렌즈 가능성을 평가한다.
• 가능한 렌즈-호스트 시스템과 호스트 은하를 식별하기 위한 관측 후속 조치를 제안한다.

제안 방법

• 후보 이미지 간의 고유 매개변수 일관성에 대한 가능도 기반 점수(S_int)를 정의하고 계산하되 외재 매개변수와는 독립적이다.
• Morse 위상 변화와 이미지 간 도착 시간 차를 반영한 외재 매개변수 일치 점수(S_ext)를 계산한다.
• S_int와 S_ext를 결합해 렌즈 관련 연관성의 카탈로그 수준 거짓 경보 확률(FAP)을 얻는다(쌍의 경우 ≈1.1×10^-2; 문턱 이하 이미지를 포함한 트리플의 경우 ≈1.1×10^-4).
• 렌즈 가설 하에서 세 이벤트에 대해 공유된 하늘 위치, 경사 및 편배를 갖는 IMRPhenomD 파형을 사용하여 4매개변수의 공동 매개변수 추정을 수행한다.
• 렌즈 특성을 제약하기 위해 공동 적합으로부터 Morse 위상 차이 및 증폭 비를 추론한다.
• 거대 은하단으로서 가능한 렌즈를 논의하고 렌즈-호스트 시스템에 대한 함의를 탐구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Morse 위상 정보가 서로 관련이 없는 동시 발생과 실제 강한 렌즈 GW 이미지 간의 구분에 의미 있게 기여할 수 있는가?
• RQ2 세 가지 BBH 이벤트(GW170104, GW170814, GWC170620)가統계적으로 설득력 있는 렌즈 이미지 트리플을 구성하는가?
• RQ3 트리플이 렌즈된 경우 암시되는 렌즈 특성(대질량 은하단, 속도 분산)과 원천 은하 적색편나는 무엇인가?
• RQ4 공동 GW 분석에서 어떤 하늘 영역 및 렌즈-호스트 제약이 도출되며, 후속 관측으로 렌즈 시나리오를 확인하거나 배제할 수 있는가?

주요 결과

항목	값	참고문헌
Catalog FAP (GW170104, GW170814)	1.1×10^-2	Section II
Existence of GWC170620 (GPS time: 1181956460)	1.3×10^-2	Section II
Time delays (relative to GW170104)	0, 166.63 days, 222.01 days	Section IV
Morse phase differences (relative to GW170104)	0, π, π	Section III
Magnification ratios (relative to GW170814)	0.401±0.08, 0.0719±0.0024, 1	Section III
Apparent luminosity distance of GW170814	D_L^GW170814/√μ_GW170814 = 577^{+159}_{-216} Mpc	Section III
Expected number of lensed events in O2	10^-2–10^-3	Dai et al. (2017); Ng et al. (2018); Li et al. (2018); Oguri (2018); Robertson et al. (2020); Contigiani (2020)

• GW170104, GW170814, GWC170620의 BBH 트리플은 Morse 위상 및 외재적 동시성을 고려하면 단일 소스의 렌즈 이미지로 해석될 수 있으며 카탈로그 FAP은 대략 1.1×10^-4이다.
• 이벤트 간 측정된 Morse 위상 차이는 기하학적 렌즈링 기대와 일치한다(한 차이는 약 π, 다른 차이는 약 0에 가까움). 렌즈 가설을 뒷받침하지만 복잡한 렌즈 모델이 필요하다.
• 이벤트 간 증폭 비는 크며(GWC170620 대비 대략 14.5 및 5.7), 상당한 렌징 증폭을 시사하고 표준이 아닌 렌즈 구성에 도전한다.
• 공동 매개변수 추정은 소스의 하늘 위치를 대략 16 제곱도(90% 신뢰 구간)로 제약하고, 렌즈 시나리오 하에서 소스 적색편향이 0.4 < z < 0.7로 낮거나 중간 수준일 수 있음을 시사한다.
• 추정된 렌즈는 내부 속도 분산이 약 650 km/s인 대질량 은하단일 가능성이 높지만 필요한 기하학과 Morse 위상 관계는 미세하게 조정된 특이한 렌즈 모델을 시사하여 추가 확인 없이는 렌징의 신뢰도를 낮춘다.
• 본 논문은 Planck 카탈로그에서 잠재적 은하단 렌즈를 식별하고 후속 관측으로 호스트 은하를 검출할 가능성을 주목한다.