[논문 리뷰] Searching for vector boson-star mergers within LIGO-Virgo intermediate-mass black-hole merger candidates

J. Calderón Bustillo, N. Sanchis-Gual외 8명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 06.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 759개의 Proca-별 정면 충돌 시뮬레이션을 사용하여 LIGO-Virgo 중질량 블랙홀 병합 후보자들에서 벡터 보존별 병합을 위한 첫 번째 체계적 탐색을 수행한다. GW190521과 S200114f는 ~8.7–9.1 × 10⁻¹³ eV의 일관된 보손 질량을 가진 Proca-별 병합으로 약간의 지지를 받는 반면, GW190426와 GW200220는 외계 가설에 대해 약간에서 강한 기각을 보이며, 이는 외계 밀집 천체의 향후 인구 연구를 위한 길을 열고 있다.

ABSTRACT

We present the first systematic search for exotic compact mergers in Advanced LIGO and Virgo events. We compare the short gravitational-wave signals GW190521, GW190426$\_$190642, GW200220$\_$061928 and the trigger 200114$\_$020818 (or S200114f) to a new catalogue of 759 numerical simulations of head-on mergers of horizonless exotic compact objects known as Proca stars, interpreted as self-gravitating lumps of (fuzzy) dark matter sourced by an ultralight (vector) bosonic particle. The Proca-star merger hypothesis is strongly rejected with respect to the black hole merger one by GW190426, weakly rejected by GW200220 and weakly favoured by GW190521 and S200114f. GW190521 and GW200220 yield highly consistent boson masses of $μ_{ m B} = 8.69^{+0.61}_{-0.75} imes10^{-13}$ eV and $μ_{ m B} = 9.13^{+1.18}_{-1.30} imes10^{-13}$ eV at the $90\%$ credible level. We conduct a preliminary population study of the compact binaries behind these events. Excluding (including) S200114f as a real event, and ignoring boson-mass consistencies across events, we estimate a fraction of Proca-star mergers of $ζ= 0.27^{+0.43}_{-0.25} \ (0.39^{+0.38}_{-0.33})$. We discuss the impact of boson-mass consistency across events in such estimates. Our results maintain GW190521 as a Proca-star merger candidate and pave the way towards population studies considering exotic compact objects.

연구 동기 및 목표

• LIGO-Virgo 데이터의 중질량 블랙홀 병합 후보자들이 표준 블랙홀 이진 병합 대신, 표면이 없는 외계 밀집 천체, 특히 Proca-별 병합에서 기인할 수 있는지 조사하기 위해.
• 중력파 데이터를 사용하여 Proca-별 병합 가설을 표준 블랙홀 병합 모델과 대비하여 검증하기 위해.
• 관측된 인구 집단에서 이러한 외계 병합의 비율을 추정하고, 사건들 간 일관성을 고려하기 위해.
• 외계 밀집 천체의 인구 수준 추론에 보손 질량 일관성의 영향을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 네 개의 LIGO-Virgo 사건에서 유래한 짧은 중력파 신호를, 정면 Proca-별 병합에 대한 759개의 수치 시뮬레이션으로 구성된 새로운 카탈로그와 비교한다.
• NRSur7dq4 웨이브폼 모델을 사용한 베이지안 추론을 통해 Proca-별 가설을 표준 블랙홀 병합 모델과 비교한다.
• 다양한 사전 분포(질량 비율, 휘도 거리, 공동 운동 부피)를 사용한 매개변수 추정을 수행하며, 가장 높은 베이지안 증거를 선택한다.
• 질량, 스핀, 기울기 및 휘도 거리의 사후 분포 추정을 수행하며, 특히 사건들 간 보손 질량의 일관성에 특별한 주의를 기울인다.
• 인구 연구를 통해 관측 샘플에서 Proca-별 병합의 비율을 추정하며, S200114f가 실제 사건으로 간주되는지 여부에 따라 두 경우를 모두 고려한다.
• 사건들 간 보손 질량 일관성의 영향이 인구 비율 추정에 미치는 영향을 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중질량 블랙홀 병합 후보자들에서 발생하는 중력파 신호들이 표준 블랙홀 이진 병합보다 Proca-별 병합으로 더 잘 설명될 수 있는가?
• RQ2 관측된 신호에 가장 잘 맞는 초경량 벡터 보손의 추정 질량은 얼마인가?
• RQ3 GW190521과 GW200220와 같은 여러 사건들 간에 추정된 보손 질량은 얼마나 일관되는가?
• RQ4 현재 데이터를 바탕으로 관측된 중질량 블랙홀 병합 후보자들 중 얼마나 많은 비율이 Proca-별 병합에서 기인할 수 있는가?
• RQ5 사건들 간 일관된 보손 질량을 가정할 경우, 외계 밀집 천체 병합의 인구 수준 추정에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• GW190426에 대해서는 Proca-별 병합 가설이 강하게 기각되고, GW200220에 대해서는 약간의 기각이지만, GW190521과 S200114f는 외계 모델에 대해 약간의 유리함을 보인다.
• GW190521과 GW200220는 각각 90% 신뢰 수준에서 μ_B = 8.69⁺⁰.⁶¹₋₀.⁷⁵ × 10⁻¹³ eV 및 μ_B = 9.13⁺¹.¹⁸₋₁.³⁰ × 10⁻¹³ eV의 일관된 보손 질량을 제공한다.
• Proca-별 병합의 인구 비율은 S200114f를 제외한 경우 ζ = 0.27⁺⁰.⁴³₋₀.²⁵, S200114f를 포함한 경우 ζ = 0.39⁺⁰.³⁸₋₀.³³로 추정되며, 불확실성은 주로 통계적 및 모델 불확실성에 기인한다.
• S200114f의 질량 비율에 대한 사후 분포는 NRSur7dq4 웨이브폼 모델의 한계에 도달하여, 더 큰 질량 비율을 허용하는 모델이 필요함을 시사한다.
• S200114f의 효과적 프리세싱 스핀 χ_p 및 효과적 스핀 χ_eff 추정치는 상당한 스핀과 프리세싱을 시사하며, 이는 병합 기간 동안 표준 웨이브폼 모델에 도전할 수 있다.
• 이 연구는 GW190521이 Proca-별 병합 후보자로 타당하다고 유지하며, 향후 중력파 데이터에서 외계 밀집 천체의 인구 연구를 위한 프레임워크를 구축한다.