[论文解读] Observation of a multimode quasi-normal spectrum from a perturbed black hole

C. D. Capano, M. Cabero+6 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 40被引用 13

一句话总结

本研究通过贝叶斯模型比较，为引力波事件GW190521中存在多模态环 ringing 谱提供了强有力的观测证据，支持采用双模态而非单模态描述。检测到ℓ=m=2和ℓ=m=3两个准正规模态，证实了最终黑洞与广义相对论的一致性，并将次主导模态频率的偏离约束在−0.01⁺⁰.⁰⁷₋₀.¹¹以内。

ABSTRACT

When two black holes merge, the late stage of gravitational wave emission is a superposition of exponentially damped sinusoids. According to the black hole no-hair theorem, this ringdown spectrum depends only on the mass and angular momentum of the final black hole. An observation of more than one ringdown mode can test this fundamental prediction of general relativity. Here we provide strong observational evidence for a multimode black hole ringdown spectrum using the gravitational wave event GW190521, with a Bayes factor of $\sim 40$ preferring two fundamental modes over one. The dominant mode is the $\ell=m=2$ harmonic, and the sub-dominant mode corresponds to the $\ell=m=3$ harmonic. We estimate the redshifted mass and dimensionless spin of the final black hole as $330^{+30}_{-40}\,\mathrm{M}_\odot$ and $0.87^{+0.05}_{-0.10}$, respectively. The detection of the two modes disfavors a binary progenitor with equal masses; the mass ratio is constrained to $0.4^{+0.2}_{-0.3}$. We find that the final black hole is consistent with the no hair theorem and constrain the fractional deviation from general relativity of the sub-dominant mode's frequency to be $-0.01^{+0.07}_{-0.11}$.

研究动机与目标

• 通过探测合并形成的扰动黑洞的环 ringing 谱，检验黑洞无毛定理。
• 确定引力波信号GW190521是否包含超过一个准正规模态，如广义相对论所预测。
• 通过多模态环 ringing 建模，约束最终黑洞的质量和自旋。
• 通过测量次主导模态频率的偏离，评估观测谱与广义相对论的一致性。

提出的方法

• 采用贝叶斯模型比较，使用约40的贝叶斯因子，评估GW190521环 ringing 信号中存在两个准正规模态而非一个的证据。
• 将环 ringing 建模为对应ℓ=m=2和ℓ=m=3模态的指数衰减正弦波的叠加。
• 利用LIGO/Virgo的引力波数据，估计最终黑洞的红移质量与无量纲自旋的后验分布。
• 通过将观测到的模态振幅和频率与理论预测进行比较，约束双星前身的质量比。
• 使用分数偏离参数量化次主导模态频率在广义相对论中的偏离，并给出90%可信区间。

实验结果

研究问题

• RQ1 GW190521的环 ringing 信号是否包含超过一个准正规模态，如黑洞无毛定理所要求？
• RQ2 基于多模态环 ringing 分析，GW190521合并形成的最终黑洞的推断质量和自旋是多少？
• RQ3 观测到的次主导模态频率与广义相对论的预测相比如何？
• RQ4 多模态检测对双星前身系统质量比施加了何种约束？

主要发现

• 约40的贝叶斯因子强烈支持对GW190521采用双模态环 ringing 模型而非单模态模型。
• 主导环 ringing 模态对应ℓ=m=2模态，次主导模态被确定为ℓ=m=3模态。
• 最终黑洞的红移质量为$330^{+30}_{-40}\rm\thinspace M_\bigodot$，无量纲自旋为$0.87^{+0.05}_{-0.10}$。
• 双星前身的质量比被约束在$0.4^{+0.2}_{-0.3}$，不支持等质量双星。
• 次主导模态频率在广义相对论中的分数偏离测量为$-0.01^{+0.07}_{-0.11}$，与零偏离一致。
• 多模态环 ringing 与黑洞无毛定理及广义相对论在测量不确定度范围内一致。