[论文解读] Correlations in parameter estimation of low-mass eccentric binaries: GW151226 & GW170608

E. O’Shea, P. Kumar|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2021

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

一句话总结

本研究调查了在使用准圆形波形模板时，低质量双黑洞系统中偏心率对参数估计的偏差影响。研究发现，随着偏心率增加，啁啾质量的估计值最高被高估约10%，且质量比趋于1；在真实数据处理GW151226和GW170608时，非自旋先验下出现了虚假的偏心率信号，当使用对齐自旋、偏心波形模型时，最终约束结果分别为e < 0.15和e < 0.12。

ABSTRACT

The eccentricity of binary black hole mergers is predicted to be an indicator of the history of their formation. In particular, eccentricity is a strong signature of dynamical formation rather than formation by stellar evolution in isolated stellar systems. It has been shown that searches for eccentric signals with quasi-circular templates can lead to loss of SNR, and some signals could be missed by such a pipeline. We investigate the efficacy of the existing quasi-circular parameter estimation pipelines to determine the source parameters of such eccentric systems. We create a set of simulated signals with eccentricity up to 0.3 and find that as the eccentricity increases, the recovered mass parameters are consistent with those of a binary with up to a $\approx 10\%$ higher chirp mass and mass ratio closer to unity. We also employ a full inspiral-merger-ringdown waveform model to perform parameter estimation on two gravitational wave events, GW151226 and GW170608, to investigate this bias on real data. We find that the correlation between the masses and eccentricity persists in real data, but that there is also a correlation between the measured eccentricity and effective spin. In particular, using a non-spinning prior results in a spurious eccentricity measurement for GW151226. Performing parameter estimation with an aligned spin, eccentric model, we constrain the eccentricities of GW151226 and GW170608 to be $<0.15$ and $<0.12$ respectively.

研究动机与目标

• 评估使用标准准圆形模板时，偏心率对引力波信号参数估计的影响。
• 调查由于波形建模错误，特别是在非自旋先验下，是否会导致虚假偏心率信号的出现。
• 使用包含对齐自旋的完整旋近-并合- ringdown 波形模型，对真实事件GW151226和GW170608的偏心率进行约束。
• 量化模拟和真实引力波信号中质量参数与偏心率之间的相关性。

提出的方法

• 使用时域波形模拟偏心率最高达0.3的引力波信号，以模拟低质量双星系统。
• 对这些模拟信号应用标准准圆形参数估计流程，评估恢复的质量参数中的偏差。
• 对真实事件GW151226和GW170608使用包含偏心率和对齐自旋分量的完整旋近-并合- ringdown 波形模型进行参数估计。
• 将非自旋先验下的结果与对齐自旋、偏心模型下的结果进行比较，以隔离自旋假设对偏心率推断的影响。
• 使用贝叶斯推断与嵌套采样计算质量、自旋和偏心率参数的后验分布。
• 通过后验分析与边缘化，量化质量参数、偏心率与有效自旋之间的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用准圆形波形模板时，偏心率增加如何影响质量参数估计的准确性？
• RQ2 在真实引力波事件中，由于对自旋的错误假设，参数估计中虚假偏心率信号的出现程度如何？
• RQ3 当使用对齐自旋、偏心波形模型时，GW151226和GW170608的偏心率上限是多少？
• RQ4 真实引力波事件中，测量到的偏心率与有效自旋之间的相关性有多强？
• RQ5 在模拟信号中，能否量化由于未建模偏心率导致的啁啾质量与质量比估计偏差？

主要发现

• 对于偏心率最高达0.3的模拟信号，恢复的啁啾质量相比真实值约高估10%。
• 随着偏心率增加，恢复的质量比系统性地向1偏移，表明偏心率与质量比之间存在退化关系。
• 在GW151226中，非自旋先验导致因未建模自旋效应而出现虚假的偏心率测量。
• 当使用对齐自旋、偏心波形模型时，GW151226的偏心率被约束在0.15以下，可信度较高。
• 对于GW170608，在相同建模框架下，偏心率被约束在0.12以下。
• 在真实数据中观察到测量偏心率与有效自旋之间存在显著相关性，表明在参数估计中自旋与偏心率存在退化。