[论文解读] Parameter Estimation Bias From Overlapping Binary Black Hole Events In Second Generation Interferometers

P. Relton, V. Raymond|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 57被引用 39

一句话总结

本文研究了在第二代引力波探测器中，由于重叠的双黑洞（BBH）并合引起的参数估计偏差。通过分析和基于模拟的方法，表明当并合时间间隔至少为0.1秒，或信噪比显著不相等时，当前的参数估计技术能够可靠地区分重叠的BBH信号，尽管即使其中一个信号低于检测阈值，偏差仍可能发生。

ABSTRACT

Since the initial detection of Gravitational Waves in 2015, 50 candidate events have been reported by the LIGO-Virgo-KAGRA collaboration. As the current generation of detectors move towards their design sensitivity the rate of these detections will increase. The next generation of detectors are likely to have high enough sensitivities that multiple merging binaries will be visible at the same time. In this paper we show that this is likely to happen before the end of the decade, with the move to the LIGO-Voyager detector. We investigate the situation of overlapping Binary-Black-Hole mergers in these detectors. We find that current parameter estimation techniques are capable of distinguishing the louder of two merging BBH events, without significant bias, when their merger times are not less than $\sim0.1$ seconds apart and when the ratio of the signal-to-noise ratios of the systems is uneven. This region of overlapping parameter space is dependent upon the sky locations of the signals and the relation of those locations to the light travel time between detectors. We also find that, if two signals are highly overlapping, then the recovered set of parameters often show strong evidence of precession. Finally we show that bias can occur even when the signal causing the bias is below the detection threshold.

研究动机与目标

• 评估第二代引力波探测器中由于重叠BBH信号引起的参数估计偏差风险。
• 确定当前参数估计技术能够可靠区分重叠信号的条件。
• 评估信号重叠对自旋进动建模及参数推断的影响。
• 量化未来LIGO-Voyager观测中重叠BBH事件的概率。

提出的方法

• 使用泊松统计方法，基于并合率和信号持续时间，建模重叠BBH并合的概率。
• 利用功率谱密度（PSDs）和BNS/BBH量程惯例，计算可检测性的信噪比（SNR）阈值。
• 通过改变时间间隔和SNR比，模拟具有不同重叠程度的BBH波形，以测试参数估计性能。
• 应用贝叶斯参数估计方法，结合包含进动的波形模型（如PhenomPv2），从组合信号中推断系统参数。
• 通过将恢复的参数与注入的真实值进行比较，评估偏差，重点关注质量、自旋和进动参数。
• 使用inspiral-range工具和探测器PSD，估算不同探测器配置（aLIGO、LIGO-Voyager、爱因斯坦望远镜）下的检测范围和信号持续时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 在像LIGO-Voyager这样的第二代探测器中，重叠BBH并合的概率是多少？
• RQ2 在何种条件下，当前的参数估计技术可以无显著偏差地区分两个重叠的BBH信号？
• RQ3 信号重叠如何影响双黑洞系统中自旋进动的推断？
• RQ4 即使一个重叠信号低于检测阈值，是否仍可能在参数估计中产生偏差？
• RQ5 天区位置和探测器之间的光行时基线如何影响重叠信号的可检测性？

主要发现

• 当两个并合事件的时间间隔≥0.1秒，或两个信号的信噪比比值不相等时，重叠的BBH信号可以被可靠地区分，且偏差不显著。
• 在LIGO-Voyager中，重叠事件的概率预计在本世纪末前将不可忽视，尤其是在探测率上升的情况下。
• 当信号高度重叠时，参数估计通常会显示出强烈的自旋进动证据，即使真实信号并不具有进动。
• 即使一个信号低于检测阈值，参数估计中仍可能发生偏差，表明未被检测到的重叠事件仍可能扭曲结果。
• 重叠信号的可检测性关键取决于天区位置和探测器之间的光行时基线，这会影响波形干涉的程度。