[论文解读] New binary black hole mergers in the LIGO-Virgo O3b data

A. K. Mehta, S. C. Olsen+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 7

一句话总结

本研究利用对齐自旋四极矩仅有的波形，通过一致搜索流程，在LIGO-Virgo O3b数据中报告了5个新的双黑洞（BBH）并合候选体。该分析确认了此前报告的17个事件，并识别出位于上/下质量间隙的关键源以及一个存在自旋-轨道章动的源，从而增强了对黑洞形成通道的群体推断。

ABSTRACT

We report the detection of 6 new candidate binary black hole (BBH) merger signals in the publicly released data from the second half of the third observing run (O3b) of advanced LIGO and advanced Virgo. The LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) collaboration reported 35 compact binary coalescences (CBCs) in their analysis of the O3b data [1], with 30 BBH mergers having coincidence in the Hanford and Livingston detectors. We confirm 17 of these for a total of 23 detections in our analysis of the Hanford-Livingston coincident O3b data. We identify candidates using a search pipeline employing aligned-spin quadrupole-only waveforms. Our pipeline is similar to the one used in our O3a coincident analysis [2], except for a few improvements in the veto procedure and the ranking statistic, and we continue to use an astrophysical probability of one half as our detection threshold, following the approach of the LVK catalogs. Most of the new candidates reported in this work are placed in the upper and lower-mass gap of the black hole (BH) mass distribution. We also identify a possible neutron star-black hole (NSBH) merger. We expect these events to help inform the black hole mass and spin distributions inferred in a full population analysis.

研究动机与目标

• 在LIGO与Virgo公开发布的O3b数据中识别额外的双黑洞（BBH）并合候选体。
• 通过检测位于上、下质量间隙的事件，改进对黑洞质量与自旋分布的理解。
• 研究显示自旋-轨道章动的事件以及自旋-轨道章动的中子星-黑洞（NSBH）候选体的天体物理学意义。
• 评估先验选择对后验分布的影响，特别是对低信噪比事件的影响。
• 为未来群体分析与模型比较提供公开可访问的后验样本。

提出的方法

• 采用使用对齐自旋四极矩仅波形的一致搜索流程，与O3a分析类似，但改进了拒收程序与排名统计。
• 采用天体物理学概率阈值0.5（p_astro > 0.5）作为检测标准，与LVK目录惯例一致。
• 对有效自旋使用平坦先验，对探测器框架质量与共动体积-时间（VT）使用均匀先验，假设ΛCDM宇宙学模型。
• 使用PyMultiNest采样器进行贝叶斯推断，设置8192个活跃点与0.1的对数证据容忍度。
• 利用cogwheel工具包进行后验采样与模型比较，包括对章动与非章动模型的贝叶斯因子分析。
• 在不同自旋先验下（均匀分布于χ_eff 与 各自自旋的各向同性分布）对后验双模态结构进行对比分析。

Figure 1 : The source-frame total mass and effective spin for the BBH events detected so far from all the search pipelines across the first three observing runs of LVK. Posterior contours enclose $50\%$ of the probability and the median is represented by a dot. For parameter inference, we use the IM

实验结果

研究问题

• RQ1 通过改进的一致搜索流程，能否在O3b数据中识别出新的双黑洞并合候选体？
• RQ2 新检测事件的质量与自旋分布与黑洞形成模型中的已知质量间隙相比如何？
• RQ3 在任一新候选事件中，是否存在自旋-轨道章动的证据？
• RQ4 不同自旋先验如何影响低信噪比事件的后验分布与天体物理学解释？
• RQ5 一个次级质量接近2.6 M☉的候选事件能否被可靠地归类为BBH或NSBH并合？

主要发现

• 在O3b数据中检测到5个新的BBH并合候选体，其天体物理学概率介于0.51至0.77之间。
• 一个事件（GW191122_214924）显示出强烈的自旋-轨道章动证据，贝叶斯因子为8，支持章动模型而非非章动模型。
• GW191122_214924中主黑洞的源框架质量明确位于上质量间隙（UMG）内，高于45 M☉。
• GW200316_235947中次级黑洞的源框架质量约为2.6 M☉，位于下质量间隙（LMG），使其成为可能的NSBH候选体。
• 在均匀χ_eff先验下，GW191228_085854的后验分布表现出双模态结构，表明对先验选择敏感，而LVK采用的各向同性先验仅选择其中一模式。
• GW200109_195634是新检测事件中红移最高的（z ≈ 0.6），且Virgo探测器贡献显著，表明未来多探测器分析中可能具有更高显著性。

Figure 2 : A closer look at one of our new events: GW $191122\_214924$ . Results are shown with the precessing waveform model IMRPhenomXPHM Pratten et al. ( 2021 ) , and also with the non-precessing limit of this waveform (labelled as IMRPhenomXPHM_Aligned ). The latter yields much lower log-likelih