[論文レビュー] The Two LIGO/Virgo Binary Black Hole Mergers on 2019 August 28 Were Not Strongly Lensed

L. P. Singer, D. A. Goldstein+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、2019年8月28日に検出された二つのLIGO/Virgo二重ブラックホール合体現象S190828jとS190828lが、同じ出来事の強力なレンズ効果による像であるかどうかを調査している。シミュレートされたレンズ効果を持つ現象ペアと頻度主義的仮説検定を用いて、著者たちは99.8％の信頼水準でレンズ効果仮説を棄却し、二つの出来事が無関係であると結論づける。天の川の角度差が10度以上であることは、通常の秒以下スケールのレンズ効果系とは整合しない。

ABSTRACT

The LIGO/Virgo gravitational wave events S190828j and S190828l were detected only 21 minutes apart, from nearby regions of sky, and with the same source classifications (binary black hole mergers). It is therefore natural to speculate that the two signals are actually strongly lensed images of the same merger. However, an estimate of the separation of the (unknown) positions of the two events requires them to be >10 deg apart, much wider than the arcsecond-scale separations that usually arise in extragalactic lensing. The large separation is much more consistent with two independent, unrelated events that occurred close in time by chance. We quantify the overlap between simulated pairs of lensed events, and use frequentist hypothesis testing to reject S190828j/l as a lensed pair at 99.8% confidence.

研究の動機と目的

• 2019年8月28日に検出された二つのLIGO/Virgo二重ブラックホール合体現象が、同じ出来事の強力なレンズ効果による像であるかどうかを評価すること。
• 観測された21分間の時間遅れと、二つの出来事間の10度を超える角度差を踏まえた場合、強力なレンズ効果が現実に可能かどうかを評価すること。
• 二重ブラックホール合体現象のレンズ効果ペアをシミュレートし、観測されたS190828j/lアラートの天の川局在特性と比較すること。
• 頻度主義的統計を用いてレンズ効果仮説を検証し、観測された分離度の統計的有意性を定量化すること。
• 出来事の空間的接近性と時間的一致性と、強力なレンズ効果モデルの期待値との間の矛盾を解消すること。

提案手法

• BAYESTAR天の川マップを用いて、レンズ効果を持つ出来事の局在確率の輪郭をモデル化し、二重ブラックホール合体現象のレンズ効果ペアをシミュレートした。
• HEALPix画素化を用いて、シミュレートされた出来事と観測された出来事の天の川局在領域を表現・比較した。
• 頻度主義的仮説検定を適用し、S190828jとS190828lの間の観測された角度差を、シミュレートされたレンズ効果ペアの分離度分布と比較した。
• 光度距離へのレンズ効果の増幅効果を $ D_{L}^{ ext{obs}} = D_{L} / \sqrt{ |\mu| } $ を用いて計算し、赤方偏移されたチルプマスを保持した。
• ポイント質量レンズモデルにおける像の分離の主要スケールとして、アインシュタイン角 $ \theta_{\text{E}} $ を用いた。
• LIGO/Virgoの公開アラートと天の川局在データを用いて、シミュレーションフレームワークの妥当性を検証し、レンズ効果仮説をテストした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2019年8月28日に検出された二つのLIGO/Virgo二重ブラックホール合体現象が、同じ出来事の強力なレンズ効果による像である可能性はあるか？
• RQ2 S190828jとS190828lの間の観測された10度を超える角度差は、強力なレンズ効果のシナリオと整合するか？
• RQ3 シミュレートされたレンズ効果ペアの文脈において、観測された分離度と時間遅れの統計的有意性は何か？
• RQ4 レンズ効果を持つ出来事の天の川局在輪郭は、観測されたS190828j/lのものとどのように比較されるか？
• RQ5 21分間の観測時間遅れと角度差は、既知のレンズ効果増幅および像の多重性モデルと整合するか？

主な発見

• S190828jとS190828lの間の観測された角度差は10度を超え、これは通常の秒以下スケールの分離が期待される銀河間の強力なレンズ効果とは整合しない。
• 頻度主義的仮説検定を用いて、S190828jとS190828lが同じ二重ブラックホール合体現象の強力なレンズ効果像であるという仮説は、99.8％の信頼水準で棄却された。
• シミュレートされたレンズ効果ペアの二重ブラックホール合体現象は、観測された10度の分離度とは著しく小さい角度差を示しており、レンズ効果シナリオは極めて不確かである。
• 21分間の時間遅れは、通常数時間から数十年の遅れを生じる典型的な銀河またはクラスタースケールの屈折体質量によるレンズ効果と整合しない。
• 二つの出来事の天の川局在輪郭は同様の形状を示し近くに位置しているが、これはレンズ効果ではなく偶然の一致によってよりよく説明される。
• 結果は、S190828jとS190828lが時間的に近くに偶然発生した独立した二重ブラックホール合体現象であるという結論を支持する。