[论文解读] GW190521 as a Highly Eccentric Black Hole Merger

V. Gayathri, James Healy+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 45

一句话总结

本文提出，LIGO/Virgo 观测到的最重的黑洞并合事件 GW190521 源于通过引力捕获形成的高偏心率、进动的双星系统。通过 325 次数值相对论模拟生成约 3×10⁴ 个波形，研究发现数据最符合偏心率 e≈0.7 的模型，确认 GW190521 是首个通过重复引力捕获形成、且形成通道已确认的 LIGO/Virgo 检测事件。

ABSTRACT

The stellar-mass black hole merger GW190521 is the heaviest system discovered by LIGO/Virgo so far, with masses unexpected from stellar evolution. The system underwent precession due to its black hole spin orientation, a signature of binaries formed through gravitational capture. Capture through close encounters can also lead to eccentric binary orbits, but this feature is currently difficult to identify due to the lack of suitable gravitational waveforms. No eccentric merger has been reported to date. Here we show that GW190521 is the most consistent with a highly eccentric black hole merger. We carried out 325 numerical relativity simulations to generate an effective $\sim3 imes10^4$ gravitational waveforms to compare to the observed data, much greater than previously available at high eccentricities. We find that GW190521 is best explained by a high-eccentricity, precessing model with $e\sim0.7$. All properties of GW190521 point to its origin being the repeated gravitational capture of black holes, making GW190521 the first of LIGO/Virgo's discoveries whose formation channel is identified.

研究动机与目标

• 确定 LIGO/Virgo 截至目前探测到的最重黑洞并合事件 GW190521 的形成机制。
• 研究 GW190521 是否源自高偏心率双星系统，这一特征是引力捕获而非孤立双星演化的标志。
• 通过生成大规模、多样化的波形库，克服高偏心率引力波形数据不足的问题，以供对比。
• 通过检验其与具有进动的高偏心率模型的一致性，识别 GW190521 的特定形成通道。

提出的方法

• 进行了 325 次数值相对论模拟，以建模具有不同质量比和自旋构型的进动、高偏心率黑洞并合。
• 生成了约 3×10⁴ 个波形的综合波形库，显著扩展了高偏心率区域的参数空间。
• 使用贝叶斯推断将模拟波形与观测到的 GW190521 信号进行比较，评估各模型的似然性。
• 将偏心率作为关键判据，检验高偏心率模型是否更能解释观测到的进动特征和信号形态。
• 引入自旋进动效应，以区分引力捕获形成的双星与孤立双星演化通道。
• 利用统计度量评估模型的一致性，以识别最可能的形成情景。

实验结果

研究问题

• RQ1 GW190521 能否由高偏心率、进动的黑洞双星系统解释？
• RQ2 观测信号的进动特征是否与引力捕获形成一致，而非孤立双星演化？
• RQ3 在高偏心率区域是否有足够的波形数据以稳健检验高偏心率假设？
• RQ4 GW190521 前体系统的最可能偏心率值是多少？
• RQ5 能否利用当前的引力波数据和模拟，明确识别 GW190521 的形成通道？

主要发现

• GW190521 最佳解释为偏心率约为 e≈0.7 的高偏心率、进动双星模型。
• 观测到的 GW190521 进动特征与非偏心或低偏心率模型不一致，支持其起源于引力捕获。
• 本研究通过数值相对论模拟生成了约 3×10⁴ 个波形，显著扩展了高偏心率波形库的可用性。
• GW190521 的所有观测特性，包括质量与自旋，均最符合涉及黑洞重复引力捕获的形成通道。
• 本工作确认 GW190521 是首个具有确认形成机制（即致密星场中重复引力捕获）的 LIGO/Virgo 检测事件。