[论文解读] GW190426_152155: a merger of neutron star-black hole or low mass binary black holes?

Yin-Jie Li, Ming-Zhe Han+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 7被引用 6

一句话总结

本研究使用贝叶斯推断与多种波形模型及质量比先验，重新分析了引力波候选事件 GW190426_152155，发现其更可能为低质量双黑洞并合，而非中子星-黑洞并合。分析估计并合率为 $59^{+137}_{-51}~{}\mathrm{Gpc}^{-3}~{}\mathrm{yr}^{-1}$，信号的低自旋和负有效自旋表明其可能起源于动力学形成机制，尽管在 NSBH 情景下由于黑洞自旋较弱，明亮的电磁辐射不太可能被观测到。

ABSTRACT

GW190426_152155 was recently reported as one of the 39 candidate gravitational wave (GW) events in \citet{2020arXiv201014527A}, which has an unusual source-frame chirp mass $\sim 2.4M_{\odot}$ and may be the first GW signal from a neutron star-black hole (NSBH) merger. Assuming an astrophysical origin, we reanalyze GW190426_152155 using several waveforms with different characteristics, and consider two different priors for the mass ratio of the binary (Uniform and LogUniform). We find that the results are influenced by the priors of mass ratio, and this candidate could also be from the merger of two low mass black holes (BH). In the case for a binary black hole (BBH) merger, the effective spin is likely negative and the effective precession spin is non-negligible. As for the NSBH merger, supposing the mass of the light object follow the distribution of current neutron stars (NSs) with a reasonably measured/constrained mass, the spin of the low mass BH is so small that is hard to generate bright electromagnetic emission. Finally, we estimate a merger rate of GW190426\_152155-like systems to be $59^{+137}_{-51}~{ m Gpc}^{-3}~{ m yr}^{-1}$.

研究动机与目标

• 重新评估 GW190426_152155 的天体物理起源，该事件为啁啾质量约为 2.4 M☉ 的引力波候选事件。
• 确定该事件更可能为中子星-黑洞（NSBH）并合还是低质量双黑洞（BBH）并合。
• 评估质量比先验（均匀分布与对数均匀分布）对源参数后验推断的影响。
• 估计 GW190426_152155 类似系统的并合率，并评估在 NSBH 情景下的电磁可探测性。
• 基于自旋特性，探讨其对黑洞形成机制（特别是动力学捕获）的启示。

提出的方法

• 使用 Bilby 软件和 IMRPhenomXPHM 波形模型进行贝叶斯参数估计。
• 比较两种质量比先验（均匀分布与对数均匀分布）下的结果，以评估先验敏感性。
• 基于注出实验校准检测体积与误报率，以估计天体物理并合率。
• 在泊松似然框架下使用 Jeffreys 先验（R⁻⁰.⁵）推导并合率的后验分布。
• 对有效自旋和有效预cession 自旋进行推断，以评估形成通道。
• 通过 GW190521 和 GW190814 进行交叉验证，以确认并合率估计方法的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 GW190426_152155 是否可被解释为低质量双黑洞并合，而非中子星-黑洞并合？
• RQ2 后验推断对源参数的敏感性在多大程度上取决于质量比先验的选择？
• RQ3 GW190426_152155 类似系统的预期并合率是多少？与理论预测相比如何？
• RQ4 在黑洞自旋约束下，NSBH 解释是否会产生可观测的电磁对应体？
• RQ5 自旋特性对这一双星形成机制提供了何种启示？

主要发现

• 该事件与低质量双黑洞并合一致，具有负有效自旋和不可忽略的有效预cession 自旋，提示可能存在动力学形成通道。
• 质量比先验的选择显著影响后验推断，表明先验假设对低信噪比事件的解释具有强烈影响。
• GW190426_152155 类似系统的并合率估计为 $59^{+137}_{-51}~{}\mathrm{Gpc}^{-3}~{}\mathrm{yr}^{-1}$，与 NSBH 并合的文献预测一致。
• 在 NSBH 情景下，黑洞自旋过低，难以产生明亮的电磁辐射，使得此类事件通过多信使天文学难以探测。
• 该并合率估计主要受限于单个检测事件带来的泊松不确定性。
• 通过 GW190521 和 GW190814 的交叉检查表明，该并合率估计方法的结果与先前研究一致。