[论文解读] Boxing Day Surprise: Higher Multipoles and Orbital Precession in GW151226

Horng Sheng Chia, Seth Olsen+5 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用 6

一句话总结

本研究使用包含轨道进动和高阶多极矩的波形模型重新分析了引力波事件 GW151226，揭示了一种此前未报告的低质量比解，其分量质量约为 29 M⊙ 和 4.3 M⊙。该新模式具有强烈的自旋诱导进动，位于较低的黑洞质量间隙内，其对数似然值比标准的高质质量比解高出六点，显著改变了天体物理学的解释。

ABSTRACT

We present a reanalysis of GW151226, the second binary black hole merger discovered by the LIGO-Virgo Collaboration. Previous analysis showed that the best-fit waveform for this event corresponded to the merger of a $\sim 14 \, M_\odot$ black hole with a $\sim 7.5 \, M_\odot$ companion. In this work, we perform parameter estimation using a waveform model that includes the effects of orbital precession and higher-order radiative multipoles, and find that the mass and spin parameters of GW151226 have bimodal posterior distributions. The two modes are separated in mass ratio, $q$: the high-$q$ mode ($0.4 \lesssim q < 1$) is consistent with the results reported in the literature. On the other hand, the low-$q$ mode ($q \lesssim 0.4$), which describes a binary with component masses of $\sim 29 \, M_\odot$ and $\sim \, 4.3 M_\odot$, is new. The low-$q$ mode has several interesting properties: (a) the secondary black hole mass may fall in the lower mass gap of astrophysical black hole population; and (b) orbital precession is driven by the primary black hole spin, which has a dimensionless magnitude as large as $\sim 0.88$ and is tilted away from the orbital angular momentum at an angle of $\sim 47^\circ$. The new low-$q$ mode has a log likelihood that is about six points higher than that of the high-$q$ mode, and can therefore affect the astrophysical interpretation of GW151226. Crucially, we show that the low-$q$ mode disappears if we neglect either higher multipoles or orbital precession in the parameter estimation. More generally, this work highlights how incorporating additional physical effects into waveform models used in parameter estimations can alter the interpretation of gravitational-wave sources.

研究动机与目标

• 通过在波形模型中包含轨道进动和高阶引力波多极矩，重新评估 GW151226 的参数估计。
• 研究此前被忽略的物理效应是否可能导致该事件的替代天体物理学解释。
• 确定该新解对模型简化的鲁棒性，特别是排除进动或多极矩时的表现。
• 评估该新低质量比模式相对于标准高质质量比解的统计显著性。

提出的方法

• 采用贝叶斯参数估计框架，使用同时包含轨道进动和高阶辐射多极矩的波形模型。
• 波形模型考虑了自旋-轨道耦合和辐射的非轴对称性，能够准确描述进动双星系统。
• 利用马尔可夫链蒙特卡洛采样计算质量比、自旋和轨道取向的后验分布。
• 将模型的似然度与排除进动或高阶多极矩的简化模型进行比较，以检验新解的鲁棒性。
• 量化并比较低 q 模式与高 q 模式的对数似然度，以评估其统计偏好。
• 通过系统性地从模型中移除进动或多极矩，隔离各物理效应的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在波形模型中包含轨道进动和高阶多极矩是否会导致 GW151226 出现一种独特且统计上更优的解？
• RQ2 在数据支持下，质量比约为 29 M⊙ 和 4.3 M⊙ 的低质量比双星是否可作为 GW151226 的合理解释？
• RQ3 在新的低 q 模式中，主黑洞自旋在驱动轨道进动中起什么作用？
• RQ4 该新解的统计显著性与标准高质质量比解释相比如何？
• RQ5 低 q 模式是否为模型复杂性的产物，还是在排除进动或多极矩后依然存在？

主要发现

• 在波形模型中引入轨道进动和高阶多极矩后，GW151226 的质量比后验分布呈现双峰特征，其中在 q ≲ 0.4 处出现此前未报告的低质量比模式。
• 低 q 模式对应的双星系统分量质量约为 29 M⊙ 和 4.3 M⊙，次星位于较低的黑洞质量间隙内。
• 低 q 模式中主黑洞的自旋大小约为 ∼0.88，其自旋方向与轨道角动量夹角约为 ∼47°，从而引发强烈的进动。
• 低 q 模式的对数似然度比高 q 模式高出约六个点，表明其具有更强的统计支持。
• 当从波形模型中排除轨道进动或高阶多极矩时，低 q 模式即消失，证实了这两者对其存在至关重要。
• 本研究表明，将更先进的物理效应纳入波形模型，可从根本上改变对引力波事件的天体物理学解释。