[논문 리뷰] SEOBNRv5PHM: Next generation of accurate and efficient multipolar precessing-spin effective-one-body waveforms for binary black holes

A. Ramos-Buades, Alessandra Buonanno외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 31.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 8

한 줄 요약

SEOBNRv5PHM은 전체 BBH 신호에 대해 계산적으로 효율적인 다극화 프리cessing-스핀 EOB 파형 모델을 제공하며, 광범위한 NR 데이터로 검증되었고-leading 모델과 속도 및 정확성 면에서 경쟁력 있다.

ABSTRACT

Spin precession is one of the key physical effects that could unveil the origin of the compact binaries detected by ground- and space-based gravitational-wave (GW) detectors, and shed light on their possible formation channels. Efficiently and accurately modeling the GW signals emitted by these systems is crucial to extract their properties. Here, we present SEOBNRv5PHM, a multipolar precessing-spin waveform model within the effective-one-body (EOB) formalism for the full signal (i.e. inspiral, merger and ringdown) of binary black holes (BBHs). In the non-precessing limit, the model reduces to SEOBNRv5HM, which is calibrated to $442$ numerical-relativity (NR) simulations, 13 waveforms from BH perturbation theory, and non-spinning energy flux from second-order gravitational self-force theory. We remark that SEOBNRv5PHM is not calibrated to precessing-spin NR waveforms from the Simulating eXtreme Spacetimes Collaboration. We validate SEOBNRv5PHM by computing the unfaithfulness against 1543 precessing-spin NR waveforms, and find that for 99.8% (84.4%) of the cases, the maximum value, in the total mass range 20-300 $M_\odot$, is below 3% (1%). These numbers reduce to 95.3% (60.8%) when using the previous version of the SEOBNR family, SEOBNRv4PHM, and to 78.2% (38.3%) when using the state-of-the-art frequency-domain multipolar precessing-spin phenomenological IMRPhenomXPHM model. Due to much better computational efficiency of SEOBNRv5PHM compared to SEOBNRv4PHM, we are also able to perform extensive Bayesian parameter estimation on synthetic signals and GW events observed by LIGO-Virgo detectors. We show that SEOBNRv5PHM can be used as a standard tool for inference analyses to extract astrophysical and cosmological information of large catalogues of BBHs.

연구 동기 및 목표

• 쌍생성 채널 형성 및 우주론에 정보를 제공하기 위해 바이너리 블랙홀의 스핀-프레cession 및 고차 다극 중력파를 정확하게 모델링하려는 동기를 제공한다.
• inspiral, merger, 및 ringdown을 포괄하는 계산적으로 효율적인 프리cessing-스핀 EOB 파형 모델을 개발한다.
• NR 데이터에 대해 모델을 보정하고 다른 최첨단 모델과 비교하여 검증한다.

제안 방법

• 정렬된 스핀 한계에서 SEOBNRv5HM으로 축약되는 다극화 프리cessing-스핀 EOB 해밀토니안 H_EOB^{pprec}를 구성한다.
• 고차 PN 항을 포함하는 궤도 평균화된 스핀 프리cession 방정식을 사용한다.
• 부분 프리cessional 효과를 갖는 공-프리cessing 프레임에서 역학을 진화시키고 파형 구성에 대해 각 스핀을 l_N에 투영한다.
• 선정된 다극에 대해 co-precessing 프레임에서 인스퍼얼-플런지 파형을 인수화된 재포함 PN 모드로 생성한다.
• 현상적으로 후합-잉여 회전을 포함한 SEOBNRv5HM 비프리cessing 템플릿을 사용해 합병-링다운을 부착한다.
• 원인 프레임들 간의 프레임 회전을 통해 관성계 파형을 소스 프레임, J_f 프레임, 코-프리cessing 프레임 간의 쿼터니언과 오일러 각으로 표현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 프리cessing-스핀 다극 BBH 파형 모델이 다양한 질량, 스핀 및 질량비 범위에서 NR 파형을 얼마나 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ2 SEOBNRv5PHM의 정확도와 속도 측면의 성능 향상이 SEOBNRv4PHM 및 PhenomXPHM에 비해 얼마나 되는가?
• RQ3 LVK 유사 분석을 위한 표준 베이지안 추론 워크플로우에 모델을 효율적으로 통합할 수 있는가?
• RQ4 고차 다극과 스핀 프리cession이 매개변수 추정 및 잠재적 우주론적 추론에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• SEOBNRv5PHM은 20–300 M_sun의 총 질량 범위에서 99.8%의 프리cessing-스핀 NR 케이스에 대해 불충분도(unfaithfulness)가 3% 미만이다.
• 동일한 지표가 99.8% 부분집합에서 1% 미만의 불충분도에 대해 84.4%이다.
• SEOBNRv4PHM과 비교할 때 3% 미만의 불충분도 케이스 비율은 95.3%로 증가하고 1% 미만은 60.8%로 증가한다.
• IMRPhenomXPHM과 비교하면 같은 범위에서 SEOBNRv5PHM은 3% 미만 불충분도 78.2%, 1% 미만 38.3%를 보인다.
• SEOBNRv5PHM은 SEOBNRv4PHM보다 약 8–20배 더 빠르며 LVK 유사 데이터로 표준 베이지안 추론 워크플로우를 가능하게 한다.
• 합성 NR 신호 및 LVK 이벤트에 대한 베이지안 분석은 SEOBNRv5PHM이 주입 신호를 정확하게 회복하고 SEOBNRv4PHM보다 더 촘촘한 포스트eri오를 산출함을 보여준다.