[论文解读] First constraints on compact binary environments from LIGO-Virgo data

G. Caneva Santoro, Soumen Roy+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2023

Pulsars and Gravitational Waves ResearchPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本研究利用LIGO-Virgo GWTC-1数据，首次对致密双星并合的环境效应进行了系统的贝叶斯分析，采用参数化后牛顿框架检验由于天体物理环境导致的引力波相位偏离。结果未发现环境效应的显著证据，其中GW170817对中等密度（≤21 g/cm³）设定了最严格的上限，且表明即使未被探测到，环境效应仍可能对参数估计造成偏差。

ABSTRACT

The LIGO-Virgo analyses of signals from compact binary mergers observed so far have assumed isolated binary systems in a vacuum, neglecting the potential presence of astrophysical environments. We present here the first investigation of environmental effects on each of the events of GWTC-1 and two low-mass events from GWTC-2. We find no evidence for the presence of environmental effects. Most of the events decisively exclude the scenario of dynamical fragmentation of massive stars as their formation channel. GW170817 results in the most stringent upper bound on the medium density ($\lesssim 21\,\mathrm{g/cm^3}$). We find that environmental effects can substantially bias the recovered parameters in the vacuum model, even when these effects are not detectable. We forecast that the Einstein Telescope and B-DECIGO will be able to probe the environmental effects of accretion disks and superradiant boson clouds on compact binaries.

研究动机与目标

• 探究吸积盘、超辐射玻色子云或致密星场等天体物理环境是否会影响致密双星并合的引力波信号。
• 通过探测旋进阶段的环境印记，检验LIGO-Virgo参数估计中标准真空假设的有效性。
• 量化即使未被直接探测到，环境效应如何对推断的源参数造成偏差。
• 预测未来探测器（如爱因斯坦望远镜和B-DECIGO）对致密双星系统中环境效应的敏感度。

提出的方法

• 采用参数化后牛顿（PN）框架，对引力波相位的环境修正进行建模，引入-4.5和-5.5 PN阶的去相位参数δΦₖ。
• 应用贝叶斯推断，计算在环境假设ℋ_env下去相位参数δΦₖ的边缘后验分布，对 nuisance 参数进行积分。
• 对双黑洞系统使用IMRPhenomPv2波形模型，对双中子星系统使用IMRPhenomPv2_NRTidalv2波形模型。
• 该方法应用于11个GWTC-1事件，信号与噪声比（SNR）及截止频率经仔细选择，以处理低SNR和高质质量事件。
• 当数据无法约束δΦₖ时，识别出非信息性后验分布，表明对环境效应缺乏敏感度。
• 该框架允许比较真空与环境波形模型，从而实现对微弱环境印记的探测。

Figure 1: 90% upper bounds on the environmental density obtained considering the effect of CA (blue triangle), BHLA (red cross), and DF (green diamond).

实验结果

研究问题

• RQ1 当前LIGO-Virgo数据能否以可探测方式检测到动力摩擦或吸积等环境效应对致密双星并合引力波相位的影响？
• RQ2 从现有GWTC-1事件中可导出的环境介质密度最紧的约束是什么？
• RQ3 当在真空中建模时，环境效应在多大程度上会偏差致密双星源的参数估计？
• RQ4 信噪比和双星质量在多大程度上影响数据对环境效应的敏感度？
• RQ5 下一代探测器（如爱因斯坦望远镜和B-DECIGO）对致密双星系统中环境效应的敏感度如何？

主要发现

• 在分析的11个GWTC-1事件中均未发现环境效应的显著证据，去相位参数δΦₖ的后验分布为非信息性或与零一致。
• GW170817对介质密度提供了最严格的上限，约束在≤21 g/cm³以内，是当前数据中最为紧致的环境约束。
• BNS系统GW150817（可能为笔误；应为GW170817）对δΦₖ的后验分布最窄，k = -9和k = -11时的宽度分别为10⁻¹³和10⁻¹⁵，归因于其低质量和高信噪比。
• 低质量BBH系统GW151226和GW170608产生次优精度的约束，k = -9和k = -11时后验宽度分别为10⁻⁸和10⁻⁹。
• GW170729和GW170823涉及GWTC-1中质量最大的黑洞，其后验分布为非信息性，表明尽管质量极大，对环境效应仍缺乏足够敏感度。
• 即使环境效应未被探测到，它们仍可能在真空模型中对参数估计造成偏差，凸显在波形建模中纳入环境效应的重要性。

Figure 2: Logarithmic Bayes factor as function of the medium density. This shows the detectability of different environmental effects using the aLIGO sensitivity curve, for GW150914, GW170608, and GW170817-like injections in zero noise realization. We omit the BHLA curve since it follows very closel