[论文解读] Summary of Tests of General Relativity with GWTC-3

Abhirup Ghosh|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 7

一句话总结

本文利用GWTC-3目录中的引力波信号，对广义相对论（GR）进行了九项独立检验，分析了O3b观测运行中的15起事件。结果未发现GR存在统计上显著的偏离，对多种物理领域（包括引力波生成、传播、极化以及黑洞残余物的 ringing down 和回声）中潜在的GR违背设定了迄今为止最严格的约束。

ABSTRACT

Observations of gravitational waves (GWs) by the advanced LIGO--Virgo detectors provide us with ground breaking opportunities to test predictions of Einstein's theory of general relativity (GR) in the strong field regime. In this article, we summarise the nine tests of GR performed on the new GW signals included in the third GW transient catalog, GWTC-3. These tests include overall and self-consistency checks of the signal with the data; tests of the GW generation, propagation and polarizations; and probes of the nature of the remnant object by testing the BH ringdown hypothesis and searching for post-merger echoes. The results from the new events are combined with those previously published wherever possible. We do not find any statistically significant deviation from GR and set the most stringent bounds yet on possible departures from theory.

研究动机与目标

• 利用致密双星并合的引力波（GW）信号，在强场、动力学条件下检验广义相对论（GR）的有效性。
• 利用先进LIGO–Virgo–KAGRA探测器的数据，探测引力波生成、传播、极化以及残余天体性质中可能存在的GR偏离。
• 通过整合多个观测运行中90起引力波事件的结果，特别是GWTC-3中的35个新O3b事件，改进对替代引力理论的约束。
• 通过ringing down光谱分析和并合后回声搜索，检验无毛定理及黑洞残余物的本质。
• 通过一套全面的波形基测试与模型无关测试，建立迄今为止对GR可能偏离的最严格界限。

提出的方法

• 通过从数据中减去最佳拟合GR波形，执行残差检验（RT），以检查是否存在未解释的能量。
• 通过比较不同信号阶段推断的参数，执行旋近-并合-ringing down（IMR）一致性检验。
• 应用参数化检验（PAR、SIM），利用后牛顿和自旋诱导多极形变，探测引力波生成中的偏离。
• 通过约束相位演化中色散参数 |Aα| 的大小，测试修改的引力波色散关系（MDR）。
• 使用贝叶斯因子分析引力波极化内容，比较GR的四极极化与替代理论。
• 使用pyRing和pSEOB波形模型，通过测量准正规模态（QNM）频率和阻尼时间的分数偏离，检验黑洞ringing down。

实验结果

研究问题

• RQ1 在观测到的双黑洞和中子星并合引力波信号中，是否存在统计上显著的广义相对论偏离？
• RQ2 致密残余物的并合后ringing down信号在多大程度上偏离Kerr黑洞准正规模态的预测？
• RQ3 在并合后阶段是否存在引力波回声的证据，表明残余物并非黑洞，而是如奇异致密天体等非黑洞残余？
• RQ4 与先前目录相比，包含GWTC-3数据后，对修改引力参数（如色散、极化、多极矩）的约束改善程度如何？
• RQ5 完整旋近-并合-ringing down信号能否被GR一致描述，还是不同阶段的参数估计之间存在不一致性？

主要发现

• 在GWTC-3事件的全部九项检验中，均未发现广义相对论存在统计上显著的偏离。
• 对GR可能偏离的约束设定了迄今为止最严格的界限，灵敏度相比以往结果提高了1.1至5.5倍。
• 使用pSEOB模型的ringing down检验，使对QNM频率和阻尼时间分数偏离的约束比GWTC-2提高了1.7至5.5倍。
• 在ringing down阶段未发现高阶准正规模态或泛音的有力证据，仅在GW200224_222234中发现微弱证据。
• 使用BayesWave进行的回声搜索未发现并合后引力波回声的显著证据，与黑洞残余物及无反射表面一致。
• 结合GWTC-3与早期观测运行（O1、O2）的结果，对GR违背参数（包括PN形变参数和色散关系大小）的约束最为严格。