[論文レビュー] The Ringdown of GW190521: Hints of Multiple Quasinormal Modes with a Precessional Interpretation

Harrison Siegel, M. Isi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、GW190521のリングダウンが、Kerrブラックホール残渣が複数の準正規モードを放出することによって最もよく説明されると提案している。特に、l=2,m=1およびl=m=2の基本モードが含まれ、l=3,m=2モードの部分的励起も可能性として示唆されている。時間領域フィットにおいてringdownパッケージを用い、著者らはこのモデルが数値相対論の代替モデルNRSur7dq4と整合する残渣質量およびスピンの事後分布を生成することを示した。これにより、従来のリングダウン解析における不一致が解消され、非軸対称モードの励起に前進するメカニズムとしてプリセッションが有効である可能性が示唆された。

ABSTRACT

GW190521 is a short-duration, low-frequency gravitational-wave signal in the LIGO-Virgo catalogue. The signal is consistent with the ringdown and possibly some of the inspiral-merger of an intermediate-mass binary black-hole coalescence. We find that previous models of the quasinormal mode spectrum in the ringdown of GW190521 give remnant mass and spin estimates which are not fully consistent with those of many inspiral-merger-ringdown waveforms. In our own analysis, we find that ringdown models which include both the angular ${l=2}$, ${m=1}$ and ${l=m=2}$ fundamental quasinormal modes are in full agreement with most inspiral-merger-ringdown waveforms, and in particular with the numerical relativity surrogate NRSur7dq4. We also find some support for including the ${l=3}$, ${m=2}$ fundamental quasinormal mode in our fits, building on Capano et al.'s findings regarding a higher-frequency subdominant mode. We propose an interpretation of our GW190521 ringdown model that links precession to the excitation of ${l eq m}$ quasinormal modes, but we do not rule out eccentricity or other interpretations.

研究の動機と目的

• GW190521のリングダウン解析とインスピレーション・マージング・リングダウン（IMR）波形、特にNRSur7dq4との間にある不一致を解消すること。
• l=2,m=1およびl=3,m=2のような複数の準正規モードを含めることで、IMR波形の事後分布との一致が向上するかを検証すること。
• 観測されたリングダウン信号が、非軸対称モードの励起にプリセッションを説明するメカニズムであることを支持するかを評価すること。
• 220および210モードのような近接した周波数を持つモードの検出可能性と統計的有意性を評価すること。
• 振幅・位相関係に関する仮定を避ける、摂動理論に基づくアンビエントなリングダウンモデルを提供すること。

提案手法

• ringdownパッケージを用いて、GW190521のリングダウン信号に時間領域における減衰正弦波（準正規モード：QNMs）をフィットする。
• Kerrおよび非KerrのQNモードスペクトルを適用し、前者は一次摂動理論で制約され、後者は周波数と減衰率の独立的逸脱を許容する。
• ベイズ推論を用いて、残渣質量、スピン、QNモード振幅の事後分布を推定し、リングダウンフィットの開始時刻を変化させる。
• 残渣質量およびスピンの事後分布を用いて、リングダウンフィットとIMR波形（特にNRSur7dq4）との事後分布の一貫性を比較する。
• ベイズ的証拠や事後予測チェックなどの指標を用いて、フィットの統計的妥当性を評価する。
• フィッシャー情報行列を用いて、近接したモード（例：220および210）の検出可能性を分析し、振幅不確実性および相関係数を計算する。

Figure 1: We attempt to reproduce the Kerr {220} LVC remnant mass (abscissa) and spin (ordinate) posterior from Fig. 9 of [ 27 ] , fitting 12.7 ms after the peak strain time reported by the LVC, and we plot 90% credible contours. The LVC posterior is in dashed grey, and our own posterior is in red.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 l=2,m=1およびl=m=2の準正規モードを含むリングダウンモデルは、NRSur7dq4の数値相対論的代替モデルから得られる残渣質量およびスピンの事後分布と整合性を持つだろうか？
• RQ2 l=3,m=2の準正規モードをリングダウンにおける部分的励起成分として含めるにあたり、データはその支持を示唆するだろうか？
• RQ3 従来のリングダウン解析とIMR波形との間にある不一致は、物理的欠落やシステム的バイアスに起因する程度はどの程度だろうか？
• RQ4 周波数が近く（δω ≈ 10 Hz × 2π）、減衰率が類似している（γ ≈ 60 Hz）2つの近接モード（例：220および210）の検出可能性と測定不確実性はどの程度だろうか？
• RQ5 プリセッションがGW190521のリングダウンにおけるl≠m準正規モードの励起を説明できるだろうか？また、この解釈はIMRモデルとの整合性を向上させるだろうか？

主な発見

• l=2,m=1およびl=m=2の基本準正規モードを含むリングダウンモデルは、さまざまなフィット開始時刻において、NRSur7dq4の数値相対論的代替モデルと完全に一致する残渣質量およびスピンの事後分布を生成した。
• l=3,m=2の基本準正規モードを部分的励起成分として含めることのデータによる支持が得られ、Capanoらの高周波数モードに関する先行研究を補強した。
• 220および210モードは周波数が近く（δω ≈ 10 Hz × 2π）、減衰率も類似（γ ≈ 60 Hz）であるが、相関係数が約0.9であるため、各モードの検出は約2.4σの有意性で可能であると判明した。
• 各モードの振幅不確実性はσ_A ≈ 2.4であり、モードは測定可能であるが、周波数および減衰時間のほぼ degeneracy により、振幅同士が強く相関していることが示された。
• モデルがNRSur7dq4と整合しており、さまざまなフィット区間において推定パラメータが安定していることから、複数のQNモードの含めることで、従来のリングダウン解析における不一致が解消されたと示唆された。
• フィットの妥当性指標では単一のモデルが明確に優位ではなかったが、IMR波形との整合性および物理的妥当性から、l≠mモードの励起にプリセッションを説明する解釈が支持された。

Figure 2: We use remnant mass and spin samples from NRSur7dq4 along with the qnm package [ 49 ] to infer the frequencies and damping rates of relevant QNMs (filled contours), and we compare these to the posteriors of our QNM fits (unfilled contours). We show 90% credible contours, with frequency and