[論文レビュー] Recognizing black holes in gravitational-wave observations: Telling apart impostors in mass-gap binaries

Sayak Datta, K. S. Phukon+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、重力波観測における二重星の近接過程中に発生する潮汐加熱の痕跡を検出することで、ブラックホールとブラックホールの模倣体または中性子星を区別するベイジアン手法を提案する。ホライズンの吸収に特有の波形パラメータを同定し、ホライズンが存在しない場合には消えるようにすることで、質量ギャップにある二重星系における最も軽いブラックホールまたは最も重い中性子星の検出を可能にする。

ABSTRACT

We show how by careful monitoring of the inspiral signal from a compact object binary in ground-based gravitational wave (GW) detectors one can test if its components are black holes or not. Here we limit ourselves to black holes (with and without spin) in General Relativity. Such objects are characterized by horizons, which absorb gravitational radiation from the orbit during their inspiral in a binary, via a phenomenon known as tidal heating. By contrast, a compact object such as a neutron star has minimal tidal heating -- but has tidal deformation -- and affects the phase evolution of binaries containing it in a distinctly different way. Here we identify waveform parameters that characterize the strength of tidal heating, and are zero when there is no horizon absorption. We demonstrate how by using those parameters Bayesian methods can distinguish the presence or absence of horizons in a binary. This is a particularly exciting prospect owing to several claims that these stellar-mass objects, with masses heavier than those of neutron stars, may not have a horizon but may be black hole mimickers or exotic compact objects. Perhaps more significant is the possibility that our method can be used to test the presence or absence of horizons in mass-gap binaries and, thereby, help detect the heaviest neutron star or the lightest black hole. A proper accounting of tidal heating in binary waveform models will also be critical for an unbiased measurement of characteristics of the equation of state of neutron stars in GW observations of binaries containing them -- or even to probe the existence of exotic compact objects.

研究の動機と目的

• 重力波信号に現れるコンパクトな物体が真のホライズンを持つブラックホールかどうかをテストする手法を開発すること。
• 中性子星とブラックホールの間の星質量「質量ギャップ」における物体の同定の曖昧さを、重力波形を用いて解消すること。
• 潮汐加熱効果を組み込むことで波形モデルを改善し、中性子星の状態方程式の測定に偏りが生じないようにすること。
• 二重星の近接過程におけるホライズン吸収の痕跡を用いて、最も軽いブラックホールまたは最も重い中性子星を検出可能にする。
• 波形パラメータのベイジアン推論を用いて、ホライズンの有無を検証可能な基準を提供すること。

提案手法

• 潮汐加熱を定量化する波形パラメータを特定し、これはホライズンの吸収に比例し、ホライズンが存在しない場合には消える。
• 潮汐加熱効果を含めた二重星の近接過程の位相の進化をモデル化し、中性子星の潮汐歪みとは区別する。
• 観測された重力波信号に基づいて、ホライズン吸収を含むか含まないかの波形モデルの尤度をベイジアン推論で比較する。
• ホライズン吸収効果がブラックホールでのみ非ゼロとなるパラメータ空間を定式化し、模倣体との統計的区別を可能にする。
• ブラックホール二重星のスピン効果を波形モデルに組み込み、現実的な条件下でも正確性を保つ。
• ホライズン形成が曖昧な質量ギャップ領域における中性子星とブラックホールの遷移に感応するように、手法をキャリブレーションする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重星の近接過程における潮汐加熱は、コンパクトな物体におけるホライズン形成の決定的痕跡として用いられるか？
• RQ2 ベイジアン推論を用いて、重力波の位相進化からブラックホールとブラックホールの模倣体をどのように区別できるか？
• RQ3 どの波形パラメータがホライズン吸収に感受性を持ち、イベントホライズンの有無をテストするために使用できるか？
• RQ4 信号内の潮汐加熱効果は、中性子星の状態方程式パラメータの測定にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 この手法は、質量ギャップ二重星系における最も軽いブラックホールまたは最も重い中性子星を検出可能か？

主な発見

• 潮汐加熱は、ブラックホールにおけるホライズン吸収に特有の痕跡であり、中性子星やホライズンのないコンパクトな物体には存在しない。
• 提案された潮汐加熱を定量化する波形パラメータは、ホライズンが存在しない場合にはゼロとなり、明確な識別子を提供する。
• これらのパラメータのベイジアン解析により、重力波データにおけるブラックホールと模倣体の統計的区別が可能になる。
• この手法は、質量ギャップにおける中性子星とブラックホールの境界を調べるのに十分な感度を持つ。
• 中性子星の状態方程式パラメータの測定に偏りが生じないよう、潮汐加熱の正確なモデル化が不可欠である。
• このアプローチにより、地上重力波望遠鏡を用いて、コンパクト二重星系におけるブラックホール仮説の直接的な検証が可能になる。