[논문 리뷰] Stochastic gravitational-wave background as a tool to investigate multi-channel astrophysical and primordial black-hole mergers

Simone S. Bavera, Gabriele Franciolini외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 13.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 이분기 블랙홀 병합에 대한 여러 천체물리학적 및 원초적 블랙홀 형성 채널의 기여도를 제약하는 데 있어 확률적 중력파 배경(SGWB)을 보조 수 Mittel로 사용하는 것을 제안한다. GWTC-2 데이터로부터 선택된 모델의 분기 비율을 관측된 병합률에 정규화하고, 그 결과로 유도된 SGWB 에너지 밀도를 계산함으로써, 예측된 진폭은 $\Omega_{\mathrm{GW}}(25\,\mathrm{Hz}) = 1.11^{+0.16}_{-0.05} \times 10^{-10}$로 나타나며, 이는 현재 LIGO-Virgo의 상한선 이하에 위치해 있으며, 제3세대 탐지기인 아인슈타인 전기망과 LISA와 같은 탐지기들만이 이를 탐지할 수 있다.

ABSTRACT

The formation of merging binary black holes can occur through multiple astrophysical channels such as, e.g., isolated binary evolution and dynamical formation or, alternatively, have a primordial origin. Increasingly large gravitational-wave catalogs of binary black-hole mergers have allowed for the first model selection studies between different theoretical predictions to constrain some of their model uncertainties and branching ratios. In this work, we show how one could add an additional and independent constraint to model selection by using the stochastic gravitational-wave background. In contrast to model selection analyses that have discriminating power only up to the gravitational-wave detector horizons (currently at redshifts $z\lesssim 1$ for LIGO-Virgo), the stochastic gravitational-wave background accounts for the redshift integration of all gravitational-wave signals in the Universe. As a working example, we consider the branching ratio results from a model selection study that includes potential contribution from astrophysical and primordial channels. We renormalize the relative contribution of each channel to the detected event rate to compute the total stochastic gravitational-wave background energy density. The predicted amplitude lies below the current observational upper limits of GWTC-2 by LIGO-Virgo, indicating that the results of the model selection analysis are not ruled out by current background limits. Furthermore, given the set of population models and inferred branching ratios, we find that, even though the predicted background will not be detectable by current generation gravitational-wave detectors, it will be accessible by third-generation detectors such as the Einstein Telescope and space-based detectors such as LISA.

연구 동기 및 목표

• 이분기 블랙홀 병합에 기여하는 여러 형성 채널(천체물리학적 및 원초적)의 상대 기여도를 독립적으로 제약하기 위해.
• 현재 탐지기의 적색편이 한계($z \lesssim 1$)를 초월하여, 확률적 중력파 배경(SGWB)의 적색편이 통합 성격을 활용해 모델 선택 분석을 확장하기 위해.
• 현재 및 향후 중력파 관측소를 이용해 예측된 SGWB의 탐지 가능성 평가하기 위해.
• SGWB가 개별 사건 목록과 함께 고적색편이 및 탐지되지 않은 소스 집단을 제약하는 데 있어 보조적 탐측 수 Mittel로 기능할 수 있음을 입증하기 위해.
• 병합률 밀도에 대한 모델 불확실성이 SGWB 예측에 어떻게 영향을 미치는지 정량화하고, 관측된 사건에 대한 정규화가 이를 어떻게 완화하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• GWTC-2 데이터를 바탕으로 한 베이지안 모델 선택 연구(Franciolini 등 2021)에서 유도된 분기 비율을 사용하여, 천체물리학적 및 원초적 채널이 총 이분기 블랙홀 병합률에 기여하는 비율을 할당한다.
• 모델에 의존하는 불확실성을 줄이기 위해 각 채널의 사건률을 GWTC-2의 44개의 신뢰성 있는 탐지 결과에 정규화한다.
• 적색편이 통합 병합률과 공칭된 공식을 사용하여 공칭된 밀도를 기반으로 총 SGWB 에너지 밀도 스펙트럼 $\Omega_{\mathrm{GW}}(\nu)$를 계산한다.
• 이분기 병합에 대한 기대와 일치하는 바, SGWB에 대해 유효한 파wer-law 스펙트럼 지수 $2/3$를 적용한다.
• 현재 LIGO-Virgo의 관측 상한선(GWTC-3 기준): $\Omega_{\mathrm{GW}}(25\,\mathrm{Hz}) \leq 1.04 \times 10^{-9}$와 예측된 SGWB 진폭을 비교한다.
• 제3세대 탐지기(Einstein Telescope 및 LISA)의 민감도 곡선을 활용하여 탐지 가능성 전망을 평가하며, 지상 기반 및 우주 기반 관측소를 모두 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 확률적 중력파 배경(SGWB)은 천체물리학적 및 원초적 블랙홀 형성 채널의 상대 기여도를 독립적으로 제약할 수 있는가?
• RQ2 SGWB의 적색편이 통합 성격은 현재 탐지기의 병합 한계($z \lesssim 1$)에 국한된 모델 선택 분석에 비해 어떻게 향상되는가?
• RQ3 GWTC-2 기반의 모델 선택 결과를 관측된 병합률에 정규화한 경우, SGWB의 예측 진폭은 얼마인가?
• RQ4 예측된 SGWB 진폭은 현재 LIGO-Virgo의 관측 상한선과 일치하는가?
• RQ5 향후 중력파 탐지기 중 제3세대 지상 기반 또는 우주 기반 탐지기 중 어느 것이 이 SGWB를 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 25 Hz에서 예측된 SGWB 진폭은 $\Omega_{\mathrm{GW}}(25\,\mathrm{Hz}) = 1.11^{+0.16}_{-0.05} \times 10^{-10}$이며, 이는 현재 LIGO-Virgo의 상한선인 $1.04 \times 10^{-9}$ 이하에 위치해 있다.
• SGWB 예측은 현재 관측 제약 조건과 일치하므로, GWTC-2에서 유도된 모델 선택 결과는 배경 한계에 의해 배제되지 않는다.
• 현재 세대 탐지기인 LIGO-Virgo와 같은 탐지기에서는 신호의 진폭이 민감도 임계값에 비해 낮아서 이 SGWB를 탐지할 수 없다.
• 제3세대 지상 기반 탐지기인 아인슈타인 전기망과 우주 기반 탐지기인 LISA는 이 SGWB를 탐지할 수 있는 충분한 민감도를 갖출 것으로 예상된다.
• 개별 사건 목록과 SGWB 맵핑을 결합하면 고적색편이 및 탐지되지 않은 이분기 블랙홀 집단에 대한 보완적인 정보를 제공할 수 있다.
• SGWB는 전체 병합 역사에 대한 적색편이 통합 탐측 수 Mittel을 제공하므로, 개별 사건 탐지로는 도달할 수 없는 형성 채널을 제약하는 데 있어 귀중한 도구가 된다.