[论文解读] Confusing head-on and precessing intermediate-mass binary black hole mergers

J. Calderón Bustillo, N. Sanchis-Gual+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

本文揭示了准圆形旋进的中等质量黑洞双星引力波信号与正碰并合信号之间存在退化现象，表明总质量在130至310倍太阳质量之间的正碰并合事件，在标准参数估计中与旋进双星无法区分，若不使用专门的波形模型和天体物理先验，将导致距离和质量推断错误。

ABSTRACT

We report a degeneracy between the gravitational-wave signals from quasi-circular precessing black-hole mergers and those from extremely eccentric mergers, namely head-on collisions. Performing model selection on numerically simulated signals of head-on collisions using models for quasi-circular binaries we find that, for signal-to-noise ratios consistent with Advanced LIGO observations, head-on mergers with total mass $M\in (130,310)M_\odot$ would be identified as a precessing quasi-circular intermediate-mass black hole binary, located at a much larger distance. Ruling out the head-on scenario would require to perform model selection using currently nonexistent waveform models for head-on collisions, together with the application of astrophysically motivated priors on the (rare) occurrence of those events. We show that in situations where standard parameter inference of compact binaries may report component masses inside (outside) the pair-instability supernova gap, the true object may be a head-on merger with masses outside (inside) this gap. We briefly discuss the potential implications of these findings for the recent gravitational-wave detection GW190521.

研究动机与目标

• 调查在引力波数据分析中，正碰双黑洞并合是否可能被误认为是旋进的准圆形双星。
• 评估这种退化对参数估计的影响，特别是在成对不稳定超新星质量间隙的背景下。
• 评估在真实探测中排除正碰场景时，专用波形模型和天体物理先验的必要性。
• 检查这种退化对GW190521及类似中等质量黑洞并合事件解释的潜在影响。

提出的方法

• 模拟总质量在130–310 M☉范围内的黑洞正碰并合产生的引力波信号。
• 对这些模拟信号使用标准的准圆形旋进双星波形模型进行模型选择。
• 应用标准参数推断技术，评估在典型先进LIGO信噪比下的质量与距离推断结果。
• 评估当真实信号为正碰并合与旋进双星时，推断结果的鲁棒性。
• 评估未来正碰碰撞波形模型的必要性，以及天体物理先验在区分两种场景中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在引力波数据中，正碰双黑洞并合是否在统计上无法与旋进的准圆形双星区分？
• RQ2 这种退化在多大程度上影响了参数估计中推断的分量质量和光度距离？
• RQ3 这种退化如何影响质量接近或跨越成对不稳定超新星质量间隙事件的解释？
• RQ4 天体物理先验和专用波形模型在解决这种歧义中起什么作用？
• RQ5 这种退化可能如何影响对GW190521及类似中等质量黑洞并合候选事件的解释？

主要发现

• 在先进LIGO灵敏度水平下，总质量在130至310 M☉之间的正碰并合事件，在标准参数估计中与旋进的准圆形双星在统计上无法区分。
• 这些正碰并合事件在显著更大的光度距离上被持续误分类为旋进双星。
• 当分量质量落入成对不稳定超新星质量间隙时，真实系统实际上可能是质量位于间隙之外的正碰并合。
• 相反，当质量被推断为位于间隙之外时，真实系统可能是质量位于间隙之内的正碰并合。
• 排除正碰场景需要正碰碰撞的波形模型和天体物理上合理的先验，而这些在当前的标准分析流程中尚不可用。