[论文解读] Capability for detection of GW190521-like binary black holes with TianQin

Shuai Liu, Liang-Gui Zhu+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 134被引用 31

一句话总结

本文评估了天琴计划探测GW190521类中等质量黑洞双星的能力，表明其可分辨多达十余个信噪比（SNR）大于8的此类源，并能精确测定并合时刻（误差小于1秒）与天球位置（误差小于1平方度）。当信噪比大于12时，天琴仍可探测这些大质量系统，并将哈勃常数约束至10%的精度，同时通过相对精度达10⁻⁴的轨道偏心率测量区分形成机制。

ABSTRACT

The detection of GW190521 gains huge attention because it is the most massive binary that LIGO and Virgo ever confidently detected until the release of GWTC-3 (GW190426_190642 is more massive), and it is the first black hole merger whose remnant is believed to be an intermediate mass black hole. Furthermore, the primary black hole mass falls in the black hole mass gap, where the pair-instability supernova prevents the formation of astrophysical black holes in this range. In this paper, we systematically explore the prospect of TianQin on detecting GW190521-like sources. For sources with small orbital eccentricities, (i) TianQin could resolve up to a dozen of sources with signal-to-noise ratio (SNR) larger than 8. Even if the signal-to-noise ratio threshold increases to 12, TianQin could still detect GW190521-like binaries. (ii) The parameters of sources merging within several years would be precisely recovered. The precision of coalescence time and sky localization closes to $1\ { m s}$ and $1\ { m deg^{2}}$ respectively. This indicates that TianQin could provide early warnings for ground-based gravitational waves detectors and electromagnetic telescopes for these sources. Furthermore, TianQin could distinguish the formation channels of these sources by measuring the orbital eccentricities with a relative precision of $10^{-4}$. (iii) TianQin could constrain the Hubble constant with a $10\%$ precision with GW190521-like sources. Finally, for very eccentric GW190521-like sources, although their gravitational wave signal might be too weak for TianQin to detect, even the null detection of TianQin could still present a significant contribution to the understanding of the underlying science.

研究动机与目标

• 评估天琴计划对GW190521类中等质量黑洞双星的探测能力，此类源是中等质量黑洞形成过程中最为重大且关键的候选体。
• 研究此类源参数估计的精度，特别是并合时刻与天区定位精度，以支持地面探测器和电磁望远镜的早期预警。
• 探索天琴通过轨道偏心率测量区分形成机制的潜力，因孤立双星演化与动力学过程形成的系统其偏心率特征不同。
• 评估此类探测对宇宙学参数估计的贡献，特别是利用GW190521类事件作为标准汽笛源对哈勃常数的约束。
• 评估对高度偏心系统的零探测结果的科学价值，即使信号过弱无法探测，仍可对形成模型与环境效应施加约束。

提出的方法

• 采用包含偏心率的3.5PN波形模型，模拟GW190521类双星的引力波信号，初始分析假设轨道偏心率较小（e ≲ 0.1）。
• 应用匹配滤波技术，结合天琴的灵敏度曲线（来自[95]），在5年观测周期内进行分析，假设“3个月工作，3个月休眠”的工作周期，并考虑单星座与双星座两种配置。
• 使用标准匹配滤波信噪比公式估算信噪比，并引入完整的费舍尔信息矩阵以评估参数估计的精度。
• 采用贝叶斯参数估计方法，利用费舍尔矩阵近似计算并合时刻、天区位置及其他参数的不确定性。
• 通过将GW190521类源视为标准汽笛源，基于参数恢复得到的光度距离估计，评估哈勃常数的约束能力。
• 通过费舍尔矩阵计算偏心率相对误差，评估偏心率测量精度，假设与未来地面探测器联合观测。

实验结果

研究问题

• RQ1 天琴在信噪比大于8和大于12的条件下，最多可探测多少个GW190521类双黑洞事件？
• RQ2 天琴能否实现对并合GW190521类双星的亚秒级时间定位与亚度级天区定位精度，从而支持地面探测器与电磁波后随观测的早期预警？
• RQ3 天琴通过相对精度约10⁻⁴的轨道偏心率测量，能在多大程度上区分GW190521类双星的形成机制？
• RQ4 天琴利用GW190521类源作为标准汽笛源，对哈勃常数的约束精度能达到多高？
• RQ5 对高度偏心的GW190521类系统的零探测结果，即使信号过弱无法探测，其在理解形成机制与环境效应方面具有何种科学价值？

主要发现

• 即使在存在数据间隙的现实观测条件下，天琴仍可探测多达十余个信噪比（SNR）大于8的GW190521类双黑洞事件。
• 对于并合发生在数年内事件，天琴可将并合时刻定位精度控制在约1秒以内，天区定位精度优于1平方度。
• 即使将信噪比阈值提高至12，天琴仍具备探测GW190521类双星的能力，表明其对最重质量系统的强敏感性。
• 天琴可实现10⁻⁴量级的轨道偏心率相对测量精度，足以清晰区分通过孤立双星演化形成的系统（低偏心率）与通过动力学过程形成的系统（可观测偏心率）。
• 基于参数恢复得到的光度距离估计，GW190521类源可作为标准汽笛源，将哈勃常数约束至约10%的精度。
• 即使高度偏心的GW190521类系统因信号过弱而无法探测，天琴的零探测结果仍具有重要科学价值，可对形成模型与环境效应施加有效约束。