[论文解读] Searching for vector boson-star mergers within LIGO-Virgo intermediate-mass black-hole merger candidates

J. Calderón Bustillo, N. Sanchis-Gual+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 6

一句话总结

本研究首次系统性地搜索了LIGO-Virgo中等质量黑洞并合候选体中矢量玻色子星并合的迹象，基于759次Proca星头对头并合的数值模拟。结果发现，GW190521与S200114f在~8.7–9.1 × 10⁻¹³ eV的玻色子质量下表现出对Proca星并合的微弱偏好，而GW190426与GW200220则对这种新奇假设表现出微弱至强烈的排斥，为未来对新奇致密天体的群体研究铺平了道路。

ABSTRACT

We present the first systematic search for exotic compact mergers in Advanced LIGO and Virgo events. We compare the short gravitational-wave signals GW190521, GW190426$\_$190642, GW200220$\_$061928 and the trigger 200114$\_$020818 (or S200114f) to a new catalogue of 759 numerical simulations of head-on mergers of horizonless exotic compact objects known as Proca stars, interpreted as self-gravitating lumps of (fuzzy) dark matter sourced by an ultralight (vector) bosonic particle. The Proca-star merger hypothesis is strongly rejected with respect to the black hole merger one by GW190426, weakly rejected by GW200220 and weakly favoured by GW190521 and S200114f. GW190521 and GW200220 yield highly consistent boson masses of $μ_{ m B} = 8.69^{+0.61}_{-0.75} imes10^{-13}$ eV and $μ_{ m B} = 9.13^{+1.18}_{-1.30} imes10^{-13}$ eV at the $90\%$ credible level. We conduct a preliminary population study of the compact binaries behind these events. Excluding (including) S200114f as a real event, and ignoring boson-mass consistencies across events, we estimate a fraction of Proca-star mergers of $ζ= 0.27^{+0.43}_{-0.25} \ (0.39^{+0.38}_{-0.33})$. We discuss the impact of boson-mass consistency across events in such estimates. Our results maintain GW190521 as a Proca-star merger candidate and pave the way towards population studies considering exotic compact objects.

研究动机与目标

• 研究LIGO-Virgo数据中中等质量黑洞并合候选体是否可能源自无视界的奇异致密天体（特别是Proca星）的并合。
• 利用引力波数据，将Proca星并合假说与标准黑洞并合模型进行对比检验。
• 估算此类奇异并合在观测群体中的比例，同时考虑事件间的一致性。
• 探讨玻色子质量一致性对奇异致密天体群体推断的影响。

提出的方法

• 作者将四个LIGO-Virgo事件的短时长引力波信号与759次头对头Proca星并合的新型数值模拟目录进行比较。
• 采用贝叶斯推断方法，利用NRSur7dq4波形模型，将Proca星假说与标准黑洞并合模型进行对比。
• 使用多种先验（包括质量比、光度距离和共动体积）进行参数估计，选择贝叶斯证据最高的结果。
• 分析包括对质量、自旋、倾角和光度距离的后验估计，特别关注事件间玻色子质量的一致性。
• 群体研究估算在观测样本中Proca星并合的比例，分别考虑S200114f是否为真实事件。
• 研究考虑了事件间玻色子质量一致性对群体比例估计的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 中等质量黑洞并合候选体的引力波信号是否能通过Proca星并合而非标准黑洞双星模型得到更优解释？
• RQ2 与最佳拟合观测信号的Proca星相关的超轻量矢量玻色子的质量是多少？
• RQ3 在GW190521与GW200220等多个事件中，推断出的玻色子质量有多一致？
• RQ4 在当前数据下，观测到的中等质量黑洞并合候选体中，有多少比例可能源自Proca星并合？
• RQ5 假设事件间玻色子质量一致，对奇异致密天体并合群体水平估计有何影响？

主要发现

• GW190426的Proca星并合假说被强烈拒绝，GW200220则表现出微弱拒绝，而GW190521与S200114f对新奇模型表现出微弱偏好。
• GW190521与GW200220分别在90%可信区间内推断出一致的玻色子质量：μ_B = 8.69⁺⁰.⁶¹₋₀.⁷⁵ × 10⁻¹³ eV 与 μ_B = 9.13⁺¹.¹⁸₋₁.³⁰ × 10⁻¹³ eV。
• 估算的Proca星并合群体比例为ζ = 0.27⁺⁰.⁴³₋₀.²⁵（不包括S200114f）与ζ = 0.39⁺⁰.³⁸₋₀.³³（包括S200114f），不确定性主要来自统计与模型误差。
• S200114f的质量比后验分布达到NRSur7dq4波形模型的极限，表明需要支持更大质量比的模型。
• S200114f的有效进动自旋χ_p与有效自旋χ_eff估计值表明存在显著自旋与进动，这可能在并合阶段对标准波形模型构成挑战。
• 本研究维持GW190521作为可行的Proca星并合候选体，并为未来在引力波数据中对奇异致密天体的群体研究建立了框架。