[论文解读] Adding harmonics to the interpretation of the black hole mergers of GWTC-1

M. Mateu-Lucena, S. Husa+6 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 6

一句话总结

本研究使用包含次主导球谐模式的改进IMRPhenom波形模型，重新分析了GWTC-1星表中的10个双黑洞并合事件。总体结果一致，但检测到高阶模式的显著影响，尤其在GW170729事件中，后验分布向质量更不均衡的方向偏移，主星质量估计为$57.3^{+12.0}_{-10.9}$倍太阳质量，处于对超新星对不稳定质量间隙的下限附近。

ABSTRACT

We consider the ten confidently detected gravitational wave signals in the GWTC-1 catalog [1] which are consistent with mergers of binary black hole systems, and re-analyze them with waveform models that contain subdominant spherical harmonic modes. This analysis is based on the current (fourth) generation of the IMRPhenom family of phenomenological waveform models, which consists of the IMRPhenomX frequency-domain models [2-5] and the IMRPhenomT time-domain models [6-8]. We find overall consistent results, with all Jensen-Shannon divergences between the previous results using IMRPhenomPv2 and our default IMRPhenomXPHM posterior results below 0.045 bits. Effects of subdominant harmonics are however visible for several events, and for GW170729 our new time domain IMRPhenomTPHM model provides the best fit and shifts the posterior further toward more unequal masses and a higher primary mass of $57.3^{+12.0}_{-10.9}$ solar masses at the lower end of the PISN mass gap.

研究动机与目标

• 评估次主导球谐模式对GWTC-1中双黑洞并合事件解释的影响。
• 通过在现象学波形模型中引入更高阶模态内容，提升参数估计的准确性。
• 研究包含这些模式是否改变后验分布，特别是对非对称或高质质量系统的影响。
• 评估新型时域与频域IMRPhenomXPHM和IMRPhenomTPHM模型在拟合观测信号方面的性能。

提出的方法

• 分析使用了第四代IMRPhenomXPHM（频域）和IMRPhenomTPHM（时域）波形模型，包含次主导（l,m）=（2,1）、（2,0）和（3,3）球谐模式。
• 通过贝叶斯推断计算双星参数的后验分布，并比较IMRPhenomXPHM与基线IMRPhenomPv2模型的结果。
• 计算Jensen-Shannon散度以量化新旧模型之间后验分布的差异。
• 该分析应用于所有10个GWTC-1中确信检测到的事件，特别关注因质量高且非对称而突出的GW170729事件。
• 通过贝叶斯证据和拟合优度指标进行模型比较，评估更高阶模态模型是否能更优地描述数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 次主导球谐模式是否显著影响GWTC-1中双黑洞并合事件的推断参数？
• RQ2 当波形模型中包含更高阶模态内容时，质量与自旋参数的后验分布如何变化？
• RQ3 IMRPhenomTPHM时域模型是否在某些事件（如GW170729）中优于IMRPhenomXPHM？
• RQ4 包含更高阶模态是否使GW170729的推断主星质量向对不稳定超新星质量间隙的下限偏移？
• RQ5 标准IMRPhenomPv2模型与新IMRPhenomXPHM/TPHM模型在后验推断上的定量差异为何？

主要发现

• IMRPhenomPv2与IMRPhenomXPHM后验分布之间的Jensen-Shannon散度在所有10个GWTC-1事件中均低于0.045比特，表明整体结果一致。
• 次主导谐波模式在参数估计中产生可测量影响，尤其在GW170729事件中，后验分布向质量比更不均衡的方向偏移。
• 对于GW170729，IMRPhenomTPHM模型在所有测试模型中拟合效果最佳，显著改善了信号高阶模态内容的描述。
• GW170729的主星质量估计为$57.3^{+12.0}_{-10.9}$倍太阳质量，处于对不稳定超新星质量间隙的下限。
• 包含更高阶模态导致质量分布更不对称，后验分布更倾向于更高的主星质量与更低的次星质量，相较于标准模型。