[論文レビュー] Who Ordered That? Unequal-Mass Binary Black Hole Mergers Have Larger Effective Spins

T. A. Callister, C.‐J. Haster+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2021

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 113被引用数 126

ひとこと要約

本研究では、LIGO-Virgoの重力波データに対して階層ベイズ推論を適用し、二重ブラックホール合体において質量比（q）と有効スピン（χeff）の間で顕著な負の相関が存在することを明らかにした：質量比が不釣り合いな系では、一貫して大きな正のχeffを示す。98.7%の信用度において、この相関を支持するベイズ的オッズは10.5にのぼり、これは標準的形成モデルの予測と矛盾しており、qとχeff間の測定のデゲネラシーに対しても頑健である。

ABSTRACT

Hierarchical analysis of the binary black hole (BBH) detections by the Advanced LIGO and Virgo detectors has offered an increasingly clear picture of their mass, spin, and redshift distributions. Fully understanding the formation and evolution of BBH mergers will require not just the characterization of these marginal distributions, though, but the discovery of any correlations that exist between the properties of BBHs. Here, we hierarchically analyze the ensemble of BBHs discovered by the LIGO and Virgo with a model that allows for intrinsic correlations between their mass ratios $q$ and effective inspiral spins $\chi_\mathrm{eff}$. At $98.7\%$ credibility, we find that the mean of the $\chi_\mathrm{eff}$ distribution varies as a function of $q$, such that more unequal-mass BBHs exhibit systematically larger $\chi_\mathrm{eff}$. We find Bayesian odds ratio of $10.5$ in favor of a model that allows for such a correlation over one that does not. Finally, we use simulated signals to verify that our results are robust against degeneracies in the measurements of $q$ and $\chi_\mathrm{eff}$ for individual events. While many proposed astrophysical formation channels predict some degree correlation between spins and mass ratio, these predicted correlations typically act in an opposite sense to the trend we observationally identify in the data.

研究の動機と目的

• 二重ブラックホール合体における質量比（q）と有効インスピレーションスピン（χeff）の間の相関が存在するかどうかを調査すること。
• 観測されたχeffの傾向が選択効果に起因するのか、それとも母集団の内在的相関に起因するのかを特定すること。
• qとχeff間の測定のデゲネラシーに対する相関検出の頑健性を検証すること。
• 観測された相関が天体物理学的形成モデルの予測と一致するかどうかを比較すること。

提案手法

• GWTC-2の44件のBBHイベントに対して階層ベイズ推論を適用し、質量比qと有効スピンχeffの同時分布をモデル化する。
• 柔軟な母集団モデルを用い、χeff分布の平均がqの関数として変化することを可能にし、傾きαでパラメータ化する。
• LIGO-Virgoのソフトウェアインジェクションを用いて選択効果を組み込み、観測サンプルにおける検出バイアスを補正する。
• パラメータ推定にはBilbyを用い、IMRPhenomD波形モデルとχeffおよびqに対する情報のない事前分布を採用する。
• qとχeff間の測定のデゲネラシーが相関の検出を歪めないかを検証するため、モックインジェクションスタディを実施する。
• 事後分布サンプルを再重み付けし、一様スピン事前分布に一致させる。これにより、発表済み結果と一貫した比較が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重ブラックホール母集団において、質量比qと有効スピンχeffの間に統計的に有意な相関が存在するか？
• RQ2 質量比が不釣り合いな系でχeffが大きいという観測傾向は、測定のデゲネラシーに起因するのか、それとも母集団の内在的構造に起因するのか？
• RQ3 選択バイアスや波形モデル化の系統的誤差といった要因に対して、相関検出はどの程度頑健か？
• RQ4 観測された相関は、標準的天体物理学的形成チャネルの予測と一致するか？

主な発見

• 98.7%の信用度において、有効スピン分布（χeff）の平均が質量比qに依存し、より不釣り合いな質量比の系ではχeffが系統的に増加することが示された。
• q–χeff相関モデルをno-correlationモデルよりも支持するベイズ的オッズ比は10.5であり、相関の強い統計的根拠があることを示している。
• qとχeffの間の観測された負の相関は、標準的形成モデルの予測と矛盾しており、通常は逆の傾向を予測する。
• インジェクションスタディにより、qとχeff間の測定のデゲネラシーが誤った相関を生じさせないことが確認され、結果の頑健性が裏付けられた。
• 事前分布の変更に対しても相関は頑健であり、主質量や赤方偏移分布に関する推論に顕著な変化をもたらさない。
• GW190412とGW190517が観測傾向の主な寄与要因であり、GW190814は不確かさと外れ値としての性質から除外された。