[논문 리뷰] Tests of General Relativity with GWTC-3

The LIGO Scientific Collaboration, the Virgo Collaboration외 1683명|University of Birmingham Research Portal (University of Birmingham)|2021. 12. 13.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 168

한 줄 요약

이 논문은 GWTC-3 중력파 이벤트 카탈로그를 사용하여 일반 상대성 이론(GR) 검정을 수행하고, 여러 분석에서 GR 예측과의 일치를 평가한다.

ABSTRACT

The ever-increasing number of detections of gravitational waves (GWs) from compact binaries by the Advanced LIGO and Advanced Virgo detectors allows us to perform ever-more sensitive tests of general relativity (GR) in the dynamical and strong-field regime of gravity. We perform a suite of tests of GR using the compact binary signals observed during the second half of the third observing run of those detectors. We restrict our analysis to the 15 confident signals that have false alarm rates $\leq 10^{-3}\, { m yr}^{-1}$. In addition to signals consistent with binary black hole (BH) mergers, the new events include GW200115_042309, a signal consistent with a neutron star--BH merger. We find the residual power, after subtracting the best fit waveform from the data for each event, to be consistent with the detector noise. Additionally, we find all the post-Newtonian deformation coefficients to be consistent with the predictions from GR, with an improvement by a factor of ~2 in the -1PN parameter. We also find that the spin-induced quadrupole moments of the binary BH constituents are consistent with those of Kerr BHs in GR. We find no evidence for dispersion of GWs, non-GR modes of polarization, or post-merger echoes in the events that were analyzed. We update the bound on the mass of the graviton, at 90% credibility, to $m_g \leq 2.42 imes 10^{-23} \mathrm{eV}/c^2$. The final mass and final spin as inferred from the pre-merger and post-merger parts of the waveform are consistent with each other. The studies of the properties of the remnant BHs, including deviations of the quasi-normal mode frequencies and damping times, show consistency with the predictions of GR. In addition to considering signals individually, we also combine results from the catalog of GW signals to calculate more precise population constraints. We find no evidence in support of physics beyond GR.

연구 동기 및 목표

• 강한 중력장 영역에서 GWTC-3 이벤트를 사용해 일반 상대성 이론의 타당성을 동기 부여하고 평가한다.
• GR 일관성 테스트를 여러 개 결합하여 GR 예측의 편차를 분석한다.
• 대안 이론이나 GR에서의 매개변수화된 편차에 대한 제약을 정량화한다.
• GWTC-3 카탈로그 전반에서 파형 모델과 데이터 품질에 대한 결과의 강건성을 평가한다.

제안 방법

• GWTC-3 이벤트에 GR-일관성 테스트를 적용한다.
• 매개변수화된 편차와 후방 분석을 사용하여 GR 위반 가능성을 제약한다.
• 다른 파형 모델과 데이터 조건으로 결과를 교차 확인한다.
• GR 편차에 대한 전반적 제약을 산출하기 위해 결과를 집계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GWTC-3 이벤트는 여러 파형 분석과 테스트에서 일반 상대성 이론과의 일치를 보이는가?
• RQ2 GWTC-3 데이터가 허용하는 GR 편차에 대한 제약은 무엇인가?
• RQ3 파형 시스템오믹스와 모델링 선택에 대해 GR 테스트의 강건성은 GWTC-3 내에서 어떤가?
• RQ4 GWTC-3 데이터가 GR 예측과의 통계적으로 의미 있는 긴장을 드러내는가?

주요 결과

• 테스트된 편차 프레임워크 내에서 GWTC-3 데이터셋 전반에 걸쳐 GR 일관성이 보고된다.
• GWTC-3 이벤트를 사용하여 GR의 매개변수화된 편차에 대한 제약이 설정된다.
• 파형 모델과 데이터 품질 선택에 대한 강건성을 위해 결과를 점검한다.
• 분석된 프레임워크와 데이터에서 GR의 통계적으로 유의한 위반은 주장되지 않는다.