[论文解读] Inferring fundamental spacetime symmetries with gravitational-wave memory: from LISA to the Einstein Telescope

B. Goncharov, Laura Donnay+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 75被引用 4

一句话总结

本文提出利用引力波记忆效应——特别是位移记忆和自旋记忆——作为探测基本时空对称性的工具，例如扩展的邦迪-梅茨纳-萨尔茨堡（BMS）群中的对称性。通过模拟双黑洞并合事件，研究表明，爱因斯坦望远镜（ET）可在一年内将位移记忆幅度的约束精度提升至2%，自旋记忆精度提升至22%，显著改善参数估计，并为引力的红外结构提供一种新的观测检验方法。

ABSTRACT

We revisit gravitational wave (GW) memory as the key to measuring spacetime symmetries, extending beyond its traditional role in GW searches. In particular, we show how these symmetries may be probed via displacement and spin memory observations, respectively. We further find that the Einstein Telescope's (ET) sensitivity enables constraining the strain amplitude of a displacement memory to 2% and that of spin memory to 22%. Finally, we point out that neglecting memory could lead to an overestimation of measurement uncertainties for parameters of binary black hole (BBH) mergers by about 10% in ET.

研究动机与目标

• 将引力波记忆的研究范式从检测目标转变为测量基本时空对称性的工具。
• 评估当前及未来探测器（LISA和爱因斯坦望远镜（ET））在约束记忆幅度并推断BMS对称性方面的潜力。
• 量化在最强双黑洞信号中忽略记忆效应可能对参数估计造成的偏差。
• 评估利用记忆效应检验广义相对论及探测低能量子引力结构的可行性。

提出的方法

• 在扩展BMS对称性情景下模拟双黑洞（BBH）并合，生成包含记忆效应的引力波应变信号。
• 使用数值相对论代理模型nrhybsur3dq8计算包含位移记忆和自旋记忆贡献的波形。
• 应用费雪信息矩阵分析，估算ET和LISA类灵敏度曲线中记忆幅度的参数不确定度。
• 对最强5%的BBH事件子集进行贝叶斯推断模拟，以评估记忆幅度的约束能力。
• 通过比较波形模型中包含与不包含记忆效应的结果，评估记忆对参数估计的影响。
• 在保守与乐观假设下评估结果的鲁棒性，包括自旋效应、噪声和探测器灵敏度。

Figure 1 : Demonstration of the gravitational wave memory contribution to strain from a merger of two non-spinning binary black holes in the extended BMS scenario, $(m_{1},m_{2},\theta_{jn},z)=(30~{}M_{\odot},30~{}M_{\odot},\pi/3,0.06)$ . The three top panels show the time-domain strain of the total

实验结果

研究问题

• RQ1 引力波记忆效应能否用于推断诸如超平移和超旋转等基本时空对称性？
• RQ2 未来探测器如爱因斯坦望远镜在多大程度上可约束位移记忆和自旋记忆效应的幅度？
• RQ3 在波形模型中忽略记忆效应会对最强双黑洞信号的参数估计精度产生何种影响？
• RQ4 LISA和ET对记忆幅度的预期灵敏度如何？与当前限制相比有何差异？
• RQ5 记忆效应能否作为探测引力红外结构及其与量子场论关联性的探针？

主要发现

• 在一年观测期内，爱因斯坦望远镜可将位移记忆幅度在95%置信水平下约束至2%。
• 在相同条件下，自旋记忆幅度可被约束至22%的95%置信水平。
• 包含记忆效应可使最强BBH信号的参数估计不确定度降低约10%，表明忽略记忆可能导致1–2σ级别的系统性误差。
• 研究表明，ET通过约10^4个最优选择的BBH事件（约占年探测量的5%）可实现上述约束。
• 结果表明，记忆效应在数据分析中不可忽略，未来ET、CE和LISA的波形模型中应纳入记忆效应。
• 在保守假设（如非旋转黑洞、最强事件）和乐观假设（如设计灵敏度）下均进行了测试，结果表明主要发现具有鲁棒性。

Figure 2 : Results of the simulated model selection between spacetime symmetries with LISA based on a single non-spinning binary black hole with component masses of $10^{6}~{}M_{\odot}$ . The panels show the inferred log odds, $\ln\mathcal{B}$ , in favour of one symmetry group representing our unive