[논문 리뷰] Waveforms and fluxes: Towards a self-consistent effective one body waveform model for nonprecessing, coalescing black-hole binaries for third generation detectors

Angelica Albertini, Alessandro Nagar외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 28.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 67인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 비프리세싱 블랙홀 이중성에 대해 다음에 오는 원형(Next-to-Quasi-Circular, NQC) 보정을 ℓ = m ≤ 5 모드의 복사 반응 플럭스에 통합하여 개선된 자기일관성 있는 효과적 일체체(Effective One Body, EOB) 웨이브폼 모델인 TEOBResumS_NQC_lm를 제시한다. 업데이트된 모델은 역학과 웨이브폼 간의 일관성을 높여 534개의 SXS 시뮬레이션 전역에서 EOB/NR 불일치도를 10⁻³ 이하로 낮추었으며, 고스핀 시스템에서는 성능 저하가 약 ∼5×10⁻³ 수준에 그쳐 제3세대 중력파 탐지기의 견고한 기초가 된다.

ABSTRACT

We present a comprehensive comparison between numerical relativity (NR) angular momentum fluxes at infinity and the corresponding quantity entering the radiation reaction in TEOBResumS, an Effective-One-Body (EOB) waveform model for nonprecessing coalescing black hole binaries on quasi-circular orbits. This comparison prompted us to implement two changes in the model: (i) including Next-to-Quasi-Circular corrections in the $\ell=m$, $\ell\leq 5$ multipoles entering the radiation reaction and (ii) consequently updating the NR-informed spin-orbital sector of the model. This yields a new waveform model that presents a higher self-consistency between waveform and dynamics and an improved agreement with NR simulations. We test the model computing the EOB/NR unfaithfulness $\bar{F}_{ m EOB/NR}$ over all 534 spin-aligned configurations available through the Simulating eXtreme Spacetime catalog, notably using the noise spectral density of Advanced LIGO, Einstein Telescope and Cosmic Explorer, for total mass up to $500M_\odot$. We find that the maximum unfaithfulness $\bar{F}^{ m max}_{ m EOB/NR}$ is mostly between $10^{-4}$ and $10^{-3}$, and the performance progressively worsens up to $\sim 5 imes 10^{-3}$ as the effective spin of the system is increased. We perform similar analyses on the \SEOB{} model, that delivers $\bar{F}^{ m max}_{ m EOB/NR}$ values uniformly distributed versus effective spin and mostly between $10^{-3}$ and $10^{-2}$. We conclude that the improved TEOBResumS model already represents a reliable and robust first step towards the development of highly accurate waveform templates for third generation detectors.

연구 동기 및 목표

• 복사 반응 플럭스 모델을 개선하여 EOB 역학과 웨이브폼 간의 자기일관성을 향상시키기.
• 특히 주요 모드인 ℓ = m = 2 이외의 고차 모드인 ℓ = m 다중극에서 EOB와 수치상대성물리학(NR) 플럭스 간의 일관성 문제를 해결하기.
• 제3세대 중력파 탐지기를 위한 목적에 적합한 비프리세싱 및 합성 블랙홀 이중성에 대해 더 정확한 EOB 모델을 개발하기.
• 개선된 NQC 보정과 NNNLO 효과적 스핀-오비트 매개변수 c3에 대한 새로운 피팅을 사용하여 NR에 기반한 스핀-오비트 영역을 업데이트하기.

제안 방법

• 534개의 SXS NR 시뮬레이션에서 스핀 가중 구면 조화 함수 분해와 시간 영역 통합을 통해 각 운동량 플럭스를 계산한다.
• 기본 TEOBResumS 모델의 NR 플럭스와 비교하여 특히 ℓ = m ≤ 5 모드에서의 격차를 확인한다.
• ℓ = m ≤ 5 모드의 EOB 복사 반응에 다음에 오는 원형(NQC) 보정을 통합하여 플럭스 일관성을 향상시킨다.
• 업데이트된 NQC 보정 플럭스를 사용하여 NR에 기반한 NNNLO 스핀-오비트 매개변수 c3를 재피팅하여 모델의 역학 영역을 정밀화한다.
• NQC 보정 플럭스와 향상된 c3 피팅을 조합하여 새로운 TEOBResumS_NQC_lm 모델을 구축한다.
• 전체 매개변수 공간에서 고급 LIGO, 에인절라 탐지기, 코스믹 익스플로러 노이즈 곡선을 사용하여 EOB/_NR 불일치도를 통해 모델 정확도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EOB와 NR의 운동량 플럭스는 ℓ = m ≤ 5 모드에서 어떻게 비교되며, 격차가 어디서 발생하는가?
• RQ2 복사 반응에 NQC 보정이 포함될 경우 플럭스 일관성과 EOB 모델의 웨이브폼 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 역학에 사용되는 플럭스와 웨이브폼에 사용되는 플럭스를 일치시켜 자기일관성 있는 EOB 모델을 구축할 수 있는가?
• RQ4 다양한 효과적 스핀 값에서 개선된 TEOBResumS_NQC_lm 모델의 성능은 SEOBNRv4HM과 비교해 어떻게 다른가? 특히 EOB/_NR 불일치도 측면에서.
• RQ5 새로운 모델은 제3세대 중력파 탐지기의 정확도 요구사항을 어느 정도 충족하는가?

주요 결과

• ℓ = m ≤ 5 플럭스에 NQC 보정을 통합함으로써 EOB와 NR 간의 운동량 플럭스 일관성이 크게 향상되었으며, 융합까지 약 ≲1% 이내로 일치하였다.
• 개선된 TEOBResumS_NQC_lm 모델은 534개의 SXS 구성 전역에서 EOB/_NR 불일치도를 최대 ∼5×10⁻³으로 낮추었으며, 대부분의 값은 10⁻⁴에서 10⁻³ 사이에 위치하였다.
• TEOBResumS_NQC_lm의 성능은 다양한 효과적 스핀에서 뛰어나며, 고스핀에서 불일치도가 다소 증가하지만, SEOBNRv4HM와 달리 균일하게 높은 불일치도를 보이지 않는다.
• NNNLO 스핀-오비트 매개변수 c3에 대한 개선된 NR 기반 피팅이 새롭게 도입되어 EOB 해밀토니안의 역학 영역이 향상되었다.
• TEOBResumS_NQC_lm는 불일치도 일관성 측면에서 SEOBNRv4HM를 능가하며, 후자는 스핀 범위 전반에서 10⁻³에서 10⁻² 사이의 균일한 높은 값들을 보였다.
• 업데이트된 모델는 에인절라 탐지기와 코스믹 익스플로러와 같은 제3세대 중력파 탐지기를 위한 고정밀 자기일관성 EOB 웨이브폼을 확보하는 데 있어 중요한 발전을 이룩하였다.