[论文解读] 4-OGC: Catalog of gravitational waves from compact-binary mergers

A. Nitz, S. Kumar+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 79被引用 21

一句话总结

本文介绍了4-OGC星表，该星表对2015年至2020年期间Advanced LIGO和Virgo的O1–O3b运行中探测到的94个致密双星并合事件（90个BBH，2个NSBH，2个BNS）进行了全面分析，其中包括O3b阶段新发现的7个高显著性BBH探测。主要贡献在于纳入了考虑仪器校准不确定性的更新参数估计，以及一套完整的亚阈值候选源，其中GW200318_191337被识别为红移0.84的潜在遥远并合事件。

ABSTRACT

We present the fourth Open Gravitational-wave Catalog (4-OGC) of binary neutron star (BNS), binary black hole (BBH) and neutron star-black hole (NSBH) mergers. The catalog includes observations from 2015-2020 covering the first through third observing runs (O1, O2, O3a, O3b) of Advanced LIGO and Advanced Virgo. The updated catalog includes 7 BBH mergers which were not previously reported with high significance during O3b for a total of 94 observations: 90 BBHs, 2 NSBHs, and 2 BNSs. The most confident new detection, GW200318_191337, has component masses $49.1^{+16.4}_{-12.0} extrm{M}_\odot$ and $31.6^{+12.0}_{-11.6} extrm{M}_\odot$; its redshift of $0.84^{+0.4}_{-0.35}$ ($90\%$ credible interval) may make it the most distant merger so far. We estimate the merger rate of BBH sources, assuming a powerlaw mass distribution containing an additive Gaussian peak, to be $16.5_{-6.2}^{+10.4} (25.0_{-8.0}^{+12.6})$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$ at a redshift of $z=0$ ($0.2$). For BNS and NSBH sources, we estimate a merger rate of $200^{+309}_{-148}$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$ and $19^{+30}_{-14}$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$, respectively, assuming the known sources are representative of the total population. We provide reference parameter estimates for each of these sources using an up-to-date model accounting for instrumental calibration uncertainty. The corresponding data release also includes our full set of sub-threshold candidates.

研究动机与目标

• 提供一个全面的、公开可访问的星表，涵盖Advanced LIGO和Advanced Virgo前四次观测运行期间探测到的致密双星并合引力波信号。
• 通过在引力波信号分析中引入仪器校准不确定性，改进参数估计的准确性。
• 识别并验证O3b后半段（O3b）中此前未报告的高显著性BBH并合事件。
• 基于观测样本和幂律加高斯峰质量模型，估算BBH、BNS和NSBH系统的群体并合率。
• 发布完整的亚阈值候选源列表，以支持与电磁波、中微子或光学数据的多波段联合后续观测研究。

提出的方法

• 对2015年至2020年期间公开的LIGO和Virgo数据进行了深度档案搜索，覆盖O1、O2、O3a和O3b观测运行。
• 采用贝叶斯推断框架，计算源参数的后验分布，包括分量质量、红移和自旋，并对校准不确定性进行边缘化处理。
• 设定显著性阈值为P_astro > 0.5或误报率低于每100年一次，以定义可信探测结果。
• 采用幂律质量分布并附加一个高斯峰，以建模BBH并合率，从而考虑高质质量系统的影响。
• 基于相同的似然框架，假设观测到的源可代表整个群体，估算BNS和NSBH的并合率。
• 在配套数据发布中公开所有亚阈值候选源及完整的参数估计，供更广泛的科学社区使用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Advanced LIGO和Advanced Virgo的前四次观测运行中，共探测到了哪些完整的致密双星并合信号？
• RQ2 在O3b数据段中，发现了哪些此前未报告的高显著性BBH并合事件？
• RQ3 仪器校准不确定性如何影响引力波源参数后验估计的准确性？
• RQ4 BBH、BNS和NSBH系统的群体并合率分别是多少？
• RQ5 如何利用亚阈值候选源支持跨不同天文数据集（如伽马射线暴、高能中微子和光学暂现源）的多信使后续观测研究？

主要发现

• 4-OGC星表共包含94个可信的致密双星并合探测结果：90个双黑洞（BBH），2个中子星-黑洞（NSBH）系统，以及2个双中子星（BNS）系统。
• 在O3b中探测到7个新的高显著性BBH并合事件，其中包括GW200318_191337，其分量质量分别为49.1⁺¹⁶.⁴₋₁².⁰ M☉和31.6⁺¹².⁰₋₁¹.⁶ M☉，红移为0.84⁺⁰.⁴₋₀.³⁵，表明其可能是迄今观测到最遥远的并合事件。
• 在假设幂律质量分布附加高斯峰的前提下，BBH并合率估计为16.5⁺¹⁰.⁴₋⁶.² Gpc⁻³ yr⁻¹（z=0）或25.0⁺¹².⁶₋⁸.⁰ Gpc⁻³ yr⁻¹（z=0.2）。
• 基于观测样本，BNS并合率估计为200⁺³⁰⁹₋¹⁴⁸ Gpc⁻³ yr⁻¹，NSBH并合率估计为19⁺³⁰₋¹⁴ Gpc⁻³ yr⁻¹。
• 星表为所有94个源提供了基于最新模型的参考参数估计，该模型考虑了仪器校准不确定性，从而提高了后验估计的准确性。
• 完整的数据发布包含所有亚阈值候选源，可支持未来与伽马射线暴、高能中微子和光学暂现源的交叉相关研究。