[论文解读] How to identify the gravitational wave events from merging stellar mass black binaries like GW150914

Shuang‐Nan Zhang, Yuan Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 9被引用 6

一句话总结

本文研究了来自类似GW150914的恒星级黑洞并合事件的引力波（GW）信号识别问题，分析了黑洞增长动力学及通过脉冲星计时探测的可能性。研究结论指出，类似GW150914的事件无法通过脉冲星计时探测，且与静态黑洞增长模型不一致，强调需要高灵敏度引力波探测器以探测视界附近的时空结构。

ABSTRACT

Aims: We study how to identify the gravitational wave events from merging stellar mass black binaries like GW150914. Methods: We briefly investigate the possible growth and merging processes of the two stellar mass black holes in the merging event of GW150914 detected by aLIGO, as clocked by a distant external observer, as well as the prospect of detecting the GW150914-like events using pulsar timing. Results: Our main results are: (1) The description of the black hole growth using stationary metric of a pre-existing black hole is inconsistent with GW150914; (2) Only gravitational wave radiation can be produced in the coalescence of two black holes such as that in the GW150914 event; and (3) Pulsar timing can not detect the GW150914-like events. Conclusions: Future high sensitivity detections of gravitational waves from merging black holes might be used to probe matter distribution and space-time geometry in the vicinity of the horizon. Perhaps the GW150914-like events can be identified with traditional astronomy observations only if the black holes are embedded in extremely dense medium before their final merge, when very strong electromagnetic radiation is produced and can escape from the system.

研究动机与目标

• 理解从远处参考系观测到的GW150914黑洞并合事件所涉及的物理过程。
• 评估脉冲星计时阵列探测类似GW150914的引力波事件的可行性。
• 评估此类系统中黑洞增长是否可用静态度量描述。
• 确定最终并合阶段可能产生的电磁与引力辐射特征。
• 探索通过传统电磁天文学识别类似GW150914事件的条件。

提出的方法

• 利用预先存在的黑洞的静态度量，对GW150914系统中黑洞增长进行建模。
• 分析远处外部观测者所见的双星系统时间演化。
• 评估两颗恒星级黑洞在最终并合阶段的引力波发射。
• 评估利用脉冲星计时阵列技术探测类似GW150914事件信号的可检测性。
• 研究电磁辐射可能从并合黑洞系统逃逸的条件。
• 将引力波发射的理论预测与aLIGO的观测约束进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否用静态度量一致地描述GW150914系统中黑洞的增长？
• RQ2 两颗恒星级黑洞并合期间会产生何种类型的辐射？
• RQ3 是否可能通过脉冲星计时阵列探测到类似GW150914的事件？
• RQ4 在何种条件下，类似GW150914事件的电磁对应体可能被观测到？
• RQ5 未来高灵敏度引力波探测器如何探测黑洞视界附近的时空几何结构？

主要发现

• 使用静态度量描述黑洞增长与观测到的GW150914事件不一致。
• 在类似GW150914的系统中，两黑洞并合期间仅产生引力波辐射。
• 脉冲星计时阵列无法探测类似GW150914的引力波事件。
• 只有当黑洞处于极高密度介质中，使得强电磁辐射能够逃逸时，类似GW150914的事件才可能通过传统天文方法识别。
• 未来高灵敏度引力波探测器或可探测黑洞视界附近的物质分布与时空几何结构。
• GW150914中缺乏电磁对应体表明，除非存在极端环境条件，否则此类事件无法通过常规电磁手段探测。