[논문 리뷰] The Two LIGO/Virgo Binary Black Hole Mergers on 2019 August 28 Were Not Strongly Lensed

L. P. Singer, D. A. Goldstein외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 08.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 2019년 8월 28일에 LIGO/Virgo에서 관측된 두 개의 이중 블랙홀 융합 사건인 S190828j와 S190828l이 동일한 사건의 강한 렌즈 효과로 인한 이미지인지 여쭤본다. 시뮬레이션된 렌즈 효과가 있는 사건 쌍과 빈도주의 가설 검증을 통해 저자들은 99.8% 신뢰수준에서 렌즈 효과 가설을 기각하며, 사건들이 관련이 없음을 결론 내리며, 일반적으로 초당 초점 크기의 렌즈 시스템과 일치하지 않는 10° 이상의 하늘 위상 간격을 제기한다.

ABSTRACT

The LIGO/Virgo gravitational wave events S190828j and S190828l were detected only 21 minutes apart, from nearby regions of sky, and with the same source classifications (binary black hole mergers). It is therefore natural to speculate that the two signals are actually strongly lensed images of the same merger. However, an estimate of the separation of the (unknown) positions of the two events requires them to be >10 deg apart, much wider than the arcsecond-scale separations that usually arise in extragalactic lensing. The large separation is much more consistent with two independent, unrelated events that occurred close in time by chance. We quantify the overlap between simulated pairs of lensed events, and use frequentist hypothesis testing to reject S190828j/l as a lensed pair at 99.8% confidence.

연구 동기 및 목표

• 2019년 8월 28일에 LIGO/Virgo에서 관측된 두 개의 이중 블랙홀 융합 사건이 동일한 사건의 강한 렌즈 이미지인지 평가하기.
• 관측된 21분의 시간 지연과 사건들 사이의 >10° 각도 간격을 고려할 때 강한 렌즈 효과의 가능성 평가하기.
• 시뮬레이션된 렌즈 효과가 있는 이중 블랙홀 융합 사건 쌍을 생성하고, 관측된 S190828j/l 경고와의 천체 위치 특성 비교하기.
• 빈도주의 통계를 사용해 렌즈 효과 가설을 검증하고 관측된 간격의 통계적 유의성 수준 측정하기.
• 사건들의 공간적 근접성과 시간적 동시성 간의 갈등을 강한 렌즈 모델의 예측과 비교하여 해결하기.

제안 방법

• 렌즈 효과가 있는 사건의 천체 위치 확률 윤곽을 모델링하기 위해 BAYESTAR 천체 위치 지도를 사용해 렌즈 효과가 있는 이중 블랙홀 융합 사건 쌍을 시뮬레이션한다.
• HEALPix 픽셀화를 사용해 시뮬레이션된 사건과 관측된 사건의 천체 위치 영역을 표현하고 비교한다.
• 빈도주의 가설 검증을 적용해 관측된 S190828j와 S190828l 간의 각도 간격을 시뮬레이션된 렌즈 효과가 있는 사건 쌍의 간격 분포와 비교한다.
• 광속 거리에 대한 렌즈 효과의 증폭 영향을 $ D_{L}^{ ext{obs}} = D_{L} / \sqrt{ |\mu| } $를 통해 계산하며, 적색편이된 체르프 질량을 유지한다.
• 점질량 렌즈 모델에서 이미지 간격의 핵심 척도로 아인슈타인 각도 $ \theta_{\text{E}} $를 사용한다.
• LIGO/Virgo의 공개 경고 및 천체 위치 데이터를 사용해 시뮬레이션 프레임워크를 검증하고 렌즈 효과 가설을 테스트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2019년 8월 28일에 LIGO/Virgo에서 관측된 두 개의 이중 블랙홀 융합 사건이 동일한 사건의 강한 렌즈 이미지일 수 있는가?
• RQ2 관측된 S190828j와 S190828l 간의 >10° 각도 간격은 강한 렌즈 효과 시나리오와 일치하는가?
• RQ3 시뮬레이션된 렌즈 효과가 있는 사건 쌍의 맥락에서 관측된 간격과 시간 지연의 통계적 유의성은 무엇인가?
• RQ4 렌즈 효과가 있는 사건의 천체 위치 윤곽은 관측된 S190828j/l 사건의 것과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 21분의 관측된 시간 지연과 각도 간격은 알려진 렌즈 효과 증폭 및 이미지 다중성 모델과 호환되는가?

주요 결과

• S190828j와 S190828l 간의 관측된 각도 간격이 10°를 초과하며, 이는 은하계 외부 강한 렌즈에서 기대되는 일반적인 초초점 크기 간격과 일치하지 않는다.
• 빈도주의 가설 검증을 통해 S190828j와 S190828l가 동일한 이중 블랙홀 융합 사건의 강한 렌즈 이미지라는 가설은 99.8% 신뢰수준에서 기각된다.
• 시뮬레이션된 렌즈 효과가 있는 이중 블랙홀 융합 사건 쌍은 관측된 10° 간격보다 훨씬 작은 각도 간격을 보이며, 이는 렌즈 효과 시나리오가 매우 부도합리하다는 것을 시사한다.
• 21분의 시간 지연는 일반적으로 수 시간에서 수십 년의 지연를 유도하는 일반적인 은하 또는 군집 규모의 렌즈 질량과는 일치하지 않으며, 이는 너무 짧다.
• 두 사건의 천체 위치 윤곽은 유사하게 생겼고 근접해 있지만, 이 공간적 근접성은 렌즈 효과보다는 우연의 일치에 의해 더 잘 설명된다.
• 결과는 S190828j와 S190828l가 시간적으로 가까이 발생한 우연의 일치로 인해 독립적인 이중 블랙홀 융합 사건이라는 결론을 지지한다.