[论文解读] GW190521 as a dynamical capture of two nonspinning black holes

Rossella Gamba, M. Breschi+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 6

一句话总结

该论文提出，GW190521 源自两个非自旋黑洞在双曲轨道上的动力学捕获与并合，而非具有进动自旋的准圆形并合。利用适用于双曲双黑洞系统的有效一體體（EOB）波形模型，作者发现最佳拟合配置为 81⁺⁶²₋₂₅ M⊙ 和 52⁺³²₋₃₂ M⊙，且贝叶斯因子 >4300:1，支持双曲捕获情景而非准圆形进动自旋模型，表明这是首次探测到此类动力学捕获事件的引力波信号。

ABSTRACT

Data release associated to "GW190521 as a dynamical capture of two nonspinning black holes" [1]. The posterior samples have been obtained with bajes [2], a pipeline for gravitational wave (GW) and multimessenger astronomy, publicly available here. The GW model TEOBResumS [3,4] employed for this analysis is publicly available here. [1] R.Gamba et. al., <em>GW190521 as a dynamical capture of two nonspinning black holes</em>, arxiv:2106.05575 [gr-qc]<br> [2] M.Breschi et. al., <em>Bayesian inference of multimessenger astrophysical data: Methods and applications to gravitational waves</em>, Phys. Rev. D 104 (2021) no.4, 042001, doi:10.1103/PhysRevD.104.042001, arXiv:2102.00017 [gr-qc]<br> [3] A.Nagar et. al., <em>Effective-one-body waveforms from dynamical captures in black hole binaries, </em>Phys. Rev. D 103 (2021) no.6, 064013, doi:10.1103/PhysRevD.103.064013, arXiv:2009.12857 [gr-qc].<br> [4] R.Gamba et. al., <em>Effective-one-body waveforms for precessing coalescing compact binaries with post-Newtonian twist</em>, Phys. Rev. D 106 (2022) no.2, 024020, doi:10.1103/PhysRevD.106.024020, arXiv:2111.03675 [gr-qc].

研究动机与目标

• 探究 GW190521 是否可由两个非自旋黑洞在双曲轨道上的动力学捕获来解释，而非具有进动自旋的准圆形并合。
• 检验适用于双曲双黑洞并合的有效一體體（EOB）波形模型相对于数值相对论模拟的可行性。
• 使用贝叶斯模型选择方法，比较双曲捕获假说与标准准圆形并合模型的证据。
• 评估 GW190521 的短时长、突发形态是否可在不需大自旋分量或高偏心率的情况下自然解释。

提出的方法

• 采用扩展至双曲轨道的非自旋黑洞双曲双星有效一體體（EOB）波形模型，仅包含主导的 ℓ=m=2 偶极模态。
• 利用 46 个初始偏心率 >0.5 且质量比 ≤8 的高度偏心、非自旋双星的数值相对论（NR）模拟对 EOB 模型进行校准。
• 计算 EOB 与 NR 模拟之间的不匹配度，发现平均不匹配低于 3%，且在一半模拟中匹配度超过 99%。
• 使用 TEOBResumS 模型进行贝叶斯推断，将双曲捕获假说与准圆形进动自旋模型进行比较。
• 开展注出-恢复研究：首次将准圆形信号注入并使用 NRSur7dq4 和 TEOBResumS 模型进行恢复；第二次将双曲信号注入并使用 TEOBResumS 模型进行恢复。
• 使用 GW190521 的汉福德功率谱密度，并应用与主分析一致的标准参数估计设置和先验分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 两个非自旋黑洞的双曲并合是否可在不需大自旋分量的情况下，解释 GW190521 的短时长、突发形态？
• RQ2 在观测到的信号下，双曲捕获情景的证据与具有进动自旋的准圆形并合模型相比如何？
• RQ3 EOB 双曲双星波形模型对高度偏心系统的数值相对论模拟的忠实度如何？
• RQ4 当应用于典型双曲捕获事件的复杂、非高斯参数空间时，该推断框架是否稳健？

主要发现

• GW190521 的最佳拟合双曲捕获模型对应于源 frame 中的质量为 81⁺⁶²₋₂₅ M⊙ 和 52⁺³²₋₃₂ M⊙，并合前经历两次相遇。
• 双曲并合假说的贝叶斯因子超过 4300:1，显著优于准圆形进动自旋模型，表明具有强烈的统计偏好。
• 在 46 个选定的 NR 模拟中，EOB/NR 不匹配度平均低于 3%，且 50% 的情况匹配度超过 99%，验证了 EOB 模型的准确性。
• 注出-恢复研究证实，当使用双曲模型时，推断框架能正确恢复参数，且短时长进动信号可被双曲模型合理匹配。
• 结果表明，GW190521 可能是首次探测到两个恒星级、非自旋黑洞动力学捕获事件的引力波信号。
• 分析表明，双曲捕获情景自然解释了并合前无啁啾信号以及突发形态，且无需高自旋或高偏心率。