[논문 리뷰] Signature of horizon dynamics in binary black hole gravitational waveforms

Ssohrab Borhanian, K. G. Arun외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 01.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 수치 일반 상대성 이론 시뮬레이션과 후-뉴턴 예측을 비교하여 이분기 블랙홀 병합에서 강한장 수축 영역의 역학에 가장 민감한 중력파 모드를 규명한다. 비스핀이 있는 이분기와 스핀이 있는 이분기 양쪽 모두에서 (3,2) 모드가 후-뉴턴 행동에서 가장 큰 이탈을 보이며, 중력파 웨이브폼에서 사건의 중심 영역 물리학을 탐색하는 데 가장 적합한 후보로 나타난다.

ABSTRACT

Gravitational waves from merging binary black holes carry the signature of the strong field dynamics of the newly forming common horizon. This signature presents itself in the amplitudes and phases of various spherical harmonic modes as deviations from the point particle description provided by post-Newtonian theory. Understanding the nature of these departures will aid in (a) formulating better models of the emitted waveforms in the strong field regime of the dynamics, and (b) relating the waveforms observed at infinity to the common horizon dynamics. In this work we have used a combination of numerical relativity simulations and post-Newtonian theory to search for the modes of radiation whose amplitude is most affected by the strong field phase of the evolution. These modes are identified to carry the signature of the strong field regime due to significant deviations of the numerical data from the leading order post-Newtonian predictions. We find that modes with large amplitudes or with spherical harmonic indices $\ell=m$ are least modified from their dominant post-Newtonian behavior, while the weaker $\ell eq m$ modes are modified to the greatest extent. The addition of spins to the binary components only affects the current-multipole modes with $\ell + m= ext{odd}$ at the order of interest and does seem to stabilize some of these modes, the $(\ell, m)=(3,2)$ mode being the exception. This mode is the most promising candidate to observe the signature of strong field dynamics as it shows the deviations from post-Newtonian behavior equally for binaries with non-spinning and aligned spinning black holes.

연구 동기 및 목표

• 이분기 블랙홀 병합 기간 동안 강한장 수축 영역 역학의 징후를 지닌 중력파 모드를 규명하는 것.
• 후-뉴턴 예측에서의 이탈이 공통 사건의 중심 형성과 진화에 대해 어떤 정보를 드러내는지 이해하는 것.
• 이분기 블랙홀 융합의 비선형적 강한장 단계에 가장 민감한 모드를 특정하는 것.
• 블랙홀 스핀이 강한장 효과로 인해 특정 웨이브폼 모드에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 이분기 블랙홀 병합 과정 전반에 걸쳐 중력파 웨이브폼을 계산하기 위해 수치 일반 상대성 이론 시뮬레이션과 후-뉴턴 이론을 통합한다.
• 구면 조화 함수 모드의 진폭과 위상이 주로 후-뉴턴 예측에서 얼마나 이탈하는지 분석한다.
• 수치적 웨이브폼과 후-뉴턴 추정치를 비교하여 이탈을 정량화하며, 특히 약한 ℓ≠m 모드에서의 이탈에 초점을 맞춘다.
• 스핀의 역할을 분석하기 위해 정렬된 스핀 이분기 시스템을 연구하고, ℓ+m 이 홀수인 전류 다중극 모드에 미치는 영향을 분석한다.
• 비스핀 및 스핀이 있는 경우 양쪽 모두에서 후-뉴턴 행동에서 가장 뚜렷하게 이탈하는 (3,2) 모드를 규명한다.
• 모드별 비교를 통해 강한장 역학에 가장 크게 영향을 받는 모드를 분리하여, 사건의 중심 영역 물리학을 탐색하는 데의 잠재력을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이분기 블랙홀 병합의 강한장 단계에서 후-뉴턴 예측에서 가장 큰 이탈을 보이는 중력파 모드는 무엇인가?
• RQ2 블랙홀 스핀은 강한장 수축 영역 역학으로 인한 특정 웨이브폼 모드의 수정에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 왜 (3,2) 모드는 다른 ℓ≠m 모드에 비해 강한장 효과에 특히 민감한가?
• RQ4 ℓ+m 이 홀수인 전류 다중극 모드는 스핀 효과 하에서 얼마나 더 안정성 또는 이탈을 보이는가?
• RQ5 (3,2) 모드는 비스핀 및 스핀이 있는 이분기 시스템 모두에서 공통 사건의 중심 역학을 신뢰할 수 있는 탐사 도구로 사용할 수 있는가?

주요 결과

• (3,2) 모드는 비스핀 및 스핀이 있는 이분기 구성 모두에서 후-뉴턴 예측에서 가장 큰 이탈을 보이며, 강한장 수축 영역 역학에 매우 민감함을 시사한다.
• ℓ=m 또는 진폭이 큰 모드는 후-뉴턴 행동에서 가장 덜 수정되며, 이는 강한장 효과에 대한 정보를 덜 제공함을 의미한다.
• 약한 ℓ≠m 모드는 강한장 역학에 의해 가장 크게 수정되며, 이는 비선형 수축 영역 물리학을 탐색하는 데 가장 적합한 후보로 나타난다.
• 스핀은 관심의 순서에서 ℓ+m 이 홀수인 전류 다중극 모드에만 영향을 미치며, 이 영향이 모든 이러한 모드를 안정화시키지는 않는다.
• (3,2) 모드는 비스핀 및 정렬된 스핀 케이스에서 일관된 이탈을 보이며, 강한장 서명을 관측하는 데 가장 유망한 후보로 남아 있다.