[논문 리뷰] The Ringdown of GW190521: Hints of Multiple Quasinormal Modes with a Precessional Interpretation

Harrison Siegel, M. Isi외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 22.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 GW190521의 리드라운드가 킬러 블랙홀 잔여물이 다수의 준정상 모드를 방출함으로써 가장 잘 설명된다고 제안한다. 특히 l=2,m=1 및 l=m=2 기본 모드이며, l=3,m=2 모드의 가능성이 있는 부차적 진동이 포함된다. 시간 도메인 피팅을 통해 리드라운드 패키지를 사용하여, 이 모델이 수치相对론 대체 모델 NRSur7dq4와 일치하는 잔여 질량 및 스핀 사후 분포를 생성함을 보여주며, 이는 이전의 리드라운드 분석에서의 모순을 해결하고, 진동수 비대칭 모드를 자극하는 프리세션을 메커니즘으로 제안한다.

ABSTRACT

GW190521 is a short-duration, low-frequency gravitational-wave signal in the LIGO-Virgo catalogue. The signal is consistent with the ringdown and possibly some of the inspiral-merger of an intermediate-mass binary black-hole coalescence. We find that previous models of the quasinormal mode spectrum in the ringdown of GW190521 give remnant mass and spin estimates which are not fully consistent with those of many inspiral-merger-ringdown waveforms. In our own analysis, we find that ringdown models which include both the angular ${l=2}$, ${m=1}$ and ${l=m=2}$ fundamental quasinormal modes are in full agreement with most inspiral-merger-ringdown waveforms, and in particular with the numerical relativity surrogate NRSur7dq4. We also find some support for including the ${l=3}$, ${m=2}$ fundamental quasinormal mode in our fits, building on Capano et al.'s findings regarding a higher-frequency subdominant mode. We propose an interpretation of our GW190521 ringdown model that links precession to the excitation of ${l eq m}$ quasinormal modes, but we do not rule out eccentricity or other interpretations.

연구 동기 및 목표

• GW190521의 이전 리드라운드 분석과 인스피라션-머지-리드라운드(IMR) 웨이브폼, 특히 NRSur7dq4 간의 모순을 해결하기 위해.
• l=2,m=1 및 l=3,m=2를 포함한 다수의 준정상 모드를 포함함으로써 IMR 웨이브폼 사후 분포와의 일치도를 향상시키는지 테스트하기 위해.
• 관측된 리드라운드 신호가 비축대칭 모드의 자극에 대해 프리세션 해석을 지지하는지 평가하기 위해.
• GW190521에서 밀도가 높은 모드들(예: 220 및 210 모드)의 탐지 가능성과 통계적 유의성을 평가하기 위해.
• 진폭-위상 관계에 대한 가정을 피하는, 편미분 이론 기반의 중립적인 리드라운드 모델을 제공하기 위해.

제안 방법

• 리드라운드 패키지를 사용하여 GW190521 리드라운드 신호에 시간 도메인에서 감쇠하는 사인파 형태의 준정상 모드(QNMs)를 피팅한다.
• 킬러 및 비킬러 QNM 스펙트럼을 적용하며, 후자는 1차 편미분 이론에 의해 제약을 받고, 전자는 주파수 및 감쇠율의 독립적 변동을 允許한다.
• 베이지안 추론을 사용하여 잔여 질량, 스핀, QNM 진폭의 사후 분포를 추정하며, 리드라운드 피팅의 시작 시간을 다양하게 조정한다.
• 잔여 질량 및 스핀 사후 분포를 사용하여 리드라운드 피팅과 IMR 웨이브폼(NRSur7dq4를 포함) 간의 사후 일致성을 비교한다.
• 베이지안 증거 및 사후 예측 검증과 같은 지표를 사용하여 피팅의 통계적 적합도를 평가한다.
• 피셔 정보 행렬을 통해 밀접하게 연결된 모드들(예: 220 및 210 모드)의 탐지 가능성 분석을 수행하며, 진폭 불확실성과 상관계수를 계산한다.

Figure 1: We attempt to reproduce the Kerr {220} LVC remnant mass (abscissa) and spin (ordinate) posterior from Fig. 9 of [ 27 ] , fitting 12.7 ms after the peak strain time reported by the LVC, and we plot 90% credible contours. The LVC posterior is in dashed grey, and our own posterior is in red.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 l=2,m=1 및 l=m=2 준정상 모드를 포함하는 리드라운드 모델이 NRSur7dq4 수치상대론 대체 모델에서 유도된 잔여 질량 및 스핀 사후 분포와 일치하는가?
• RQ2 l=3,m=2 준정상 모드를 GW190521 리드라운드에서 부차적 구성요소로 포함시키는 데에 통계적 근거가 있는가?
• RQ3 이전 리드라운드 분석과 IMR 웨이브폼 간의 모순이 누락된 물리적 요소 또는 시스템적 편향에서 기인하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 유사한 감쇠율과 주파수 간격을 가진 두 개의 밀접한 모드(예: 220 및 210 모드)의 탐지 가능성과 측정 불확실성은 어떠한가?
• RQ5 프리세션은 GW190521 리드라운드에서 l≠m 준정상 모드를 자극하는 데 설명할 수 있으며, 이 해석이 IMR 모델과의 일치도를 향상시키는가?

주요 결과

• l=2,m=1 및 l=m=2 기본 준정상 모드를 포함하는 리드라운드 모델은 다양한 피팅 시작 시간에 걸쳐 NRSur7dq4 수치상대론 대체 모델과 일치하는 잔여 질량 및 스핀 사후 분포를 생성한다.
• l=3,m=2 기본 준정상 모드를 부차적 구성요소로 포함시키는 것은 데이터에 의해 지지되며, Capano 등이 이전에 고주파 모드에 대해 보고한 결과를 바탕으로 한다.
• 220 및 210 모드는 주파수 간격 δω ≈ 10 Hz × 2π이며 감쇠율 γ ≈ 60 Hz로 유사한 특성을 가지며, 상관계수 약 0.9로 인해 각각 약 2.4σ의 유의성으로 탐지 가능하다.
• 각 모드의 진폭 불확실성은 σ_A ≈ 2.4이며, 주파수 및 감쇠 시간이 거의 일치하므로 모드 간 상관계수가 매우 높다.
• 모델이 NRSur7dq4와의 일치성과 다양한 피팅 간격에서 추정된 매개변수의 안정성으로 인해, 다수의 QNM 포함이 이전 리드라운드 분석의 모순을 해결함을 시사한다.
• 적합도 지표에서 단일 모델이 유일하게 선호되지는 않지만, IMR 웨이브폼과의 일치성과 물리적 타당성으로 인해 l≠m 모드 자극에 대한 프리세셔널 해석이 지지된다.

Figure 2: We use remnant mass and spin samples from NRSur7dq4 along with the qnm package [ 49 ] to infer the frequencies and damping rates of relevant QNMs (filled contours), and we compare these to the posteriors of our QNM fits (unfilled contours). We show 90% credible contours, with frequency and