[论文解读] Evidence for lensing of gravitational waves from LIGO-Virgo

J. M. Diego, Tom Broadhurst+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 15被引用 2

一句话总结

本文挑战了LIGO-Virgo合作组织关于透镜化引力波事件可能性低的结论，主张尽管单个事件的透镜化概率较低，但高红移双黑洞并合事件由于并合率高，每年仍可能产生10至30个可观测的透镜化事件。文章指出，若忽略透镜效应，将导致质量与距离的显著高估，并提出GW190421–GW190910等成对事件是可行的透镜化候选体，当使用实际类星体时延分布而非理想化先验时，其结论与LVC相反。

ABSTRACT

Recently, the LIGO-Virgo Collaboration (LVC) concluded that there is no evidence for lensed gravitational waves (GW) in the first half of the O3 run, claiming "We find the observation of lensed events to be unlikely, with the fractional rate at $μ>2$ being $3.3 imes 10^{-4}$". While we agree that the chance of an individual GW event being lensed at $μ>2$ is smaller than $10^{-3}$, the number of observed events depends on the product of this small probability times the rate of mergers at high redshift. Observational constraints from the stochastic GW background indicate that the rate of conventional mass BBH mergers (8 < M (M$_{\odot}$) < 15) in the redshift range 1

研究动机与目标

• 重新评估LIGO-Virgo合作组织关于透镜化引力波事件在放大因子µ > 2时可能性低的主张。
• 挑战认为透镜化事件可忽略的假设，主张高红移（z > 1）处的高并合率可弥补低固有透镜化概率。
• 证明忽略透镜效应会导致黑洞质量系统性高估2–5倍，原因在于对亮度距离的错误推断。
• 使用来自透镜化类星体的实际时延分布，而非理想化先验，重新评估如GW190421–GW190910和GW190424–GW190910等候选透镜对。
• 主张将LVC的时延先验替换为基于观测的类星体分布后，结论发生反转，表明LVC识别出的大量事件可能为多重像。

提出的方法

• 利用随机引力波背景的观测约束，估算在红移范围1 < z < 2内，恒星级双黑洞的并合率高达O(10^7)次/年。
• 应用强引力透镜理论，表明高放大率（µ > 5）会产生多个图像，可表现为天空位置相近、应变相似但信噪比不同的事件。
• 将LVC的B_overlap统计量重新解释为稳健，但批评其用于时延的Rgal惩罚函数依赖于不现实的圆形对称透镜模型。
• 用15年来对18个强透镜类星体监测（COSMOGRAIL数据）得出的经验分布，替代LVC的理想化时延先验，该分布显示宽而不对称的时延，与椭圆势一致。
• 使用经验时延模型重新分析候选透镜对（如GW190421–GW190910），表明其不再被赋予零概率。
• 通过结合高并合率与透镜放大统计，建模LIGO-Virgo可探测的透镜事件数量，得出每年可观测事件数为10–30个。

实验结果

研究问题

• RQ1 在z > 1处并合率较高的前提下，LIGO-Virgo可探测的透镜化引力波事件数量是否显著高于LVC估计的每事件3.3×10⁻⁴的比率？
• RQ2 忽略透镜效应在多大程度上导致LIGO-Virgo事件目录中黑洞本征质量的系统性高估？
• RQ3 当使用来自透镜化类星体的时延分布而非理想化先验时，如GW190421–GW190910和GW190424–GW190910等候选事件对是否仍为可行的透镜系统？
• RQ4 与LVC模型相比，使用来自透镜化类星体（如COSMOGRAIL）的经验时延分布，如何影响透镜事件候选者的统计显著性？
• RQ5 假设高并合率与真实的透镜放大特性，LIGO-Virgo每年可探测的透镜化双黑洞事件数量预期为多少？

主要发现

• 在红移范围1 < z < 2内，常规双黑洞并合事件（8 < M/M⊙ < 15）的并合率可能高达O(10⁷)次/年，尽管单个事件的透镜化概率较低，但每年仍可产生10–30个LIGO-Virgo可探测的透镜化事件。
• LVC认为透镜化事件可能性低（µ > 2的分数率仅为3.3×10⁻⁴）的结论，因假设高红移并合率较低而被削弱，这导致对透镜化事件率的低估。
• 忽略透镜效应会导致黑洞本征质量系统性高估2至5倍，原因在于对放大信号的亮度距离推断错误。
• 如GW190421 213856–GW190910 112807和GW190424 180648–GW190910 112807等成对事件，原本因时延先验被LVC赋予零概率，但在使用经验类星体时延分布后，成为可行的透镜候选体。
• 将LVC的理想化时延先验替换为基于观测的类星体分布后，结论发生反转：LVC识别出的大量双黑洞事件很可能为多重像，包括四重像系统。
• 目前探测阈值以下的透镜事件数量估计高达10⁶/年，表明大多数已观测事件很可能为强透镜化事件。