[论文解读] Post-Newtonian waveform for charged binary black hole inspirals and analysis with GWTC-1 events

Hai-Tian Wang, Peng-Cheng Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 35被引用 4

一句话总结

本文为带电双黑洞并合的零阶后牛顿波形模型，采用贝叶斯推断方法应用于LIGO-Virgo的GWTC-1事件。结果表明，当前的电荷约束与先前的费舍尔矩阵估计一致，并强调需要构建完整的带电并合-振铃波形以提升约束精度。

ABSTRACT

In the first two-year runs of advanced LIGO/Virgo, ten black hole binary merger events have been formally reported. These gravitational wave signals have significantly enhanced our understanding of the black hole astrophysics. In general, the properties of a black hole are comprehensively described by its mass, spin, and charge. The third parameter is often ignored because of the very low value expected in the realistic astrophysical environment. In this work, we constrain the amount of charge in a way which is equivalent to the parameterized post-Einsteinian framework by treating the charge as a small perturbation in a Bayesian way, and we find that the current limits on charges are similar to the ones obtained by the Fisher information matrix method in previous works. Then we develop a zeroth order post-Newtonian waveform for charged binary black hole inspiral and apply this charged waveform to the binary black hole merger events observed by LIGO-Virgo in their first two runs. A Bayesian model selection is performed in proper frequency range among the zero-order post-Newtonian waveform, the zero-order charged post-Newtonian waveform, and the early-inspiral stage of the inspiral-merger-ringdown waveform. Finally, we obtain several constraints on the binary black hole charges and discuss the possible extension of our work. Our work demonstrates the necessity for the development of a full inspiral-merger-ringdown waveform for charged binary black hole merger, with which the more robust constraints can be yielded.

研究动机与目标

• 探究黑洞电荷在引力波信号中的天体物理相关性，尽管其在自然界中预期值极小。
• 在贝叶斯框架下，将后牛顿波形扩展以包含电磁电荷作为小扰动。
• 在模型选择中，将零阶带电后牛顿波形与标准波形及完整并合-振铃波形进行比较。
• 利用真实的LIGO-Virgo GWTC-1数据，推导双黑洞电荷的约束。
• 推动开发完整的带电并合-振铃波形，以实现更高精度。

提出的方法

• 将黑洞电荷视为后牛顿展开中的小扰动，通过引入电磁效应修改标准波形。
• 采用贝叶斯模型选择框架，比较三种波形模型：标准后牛顿模型、带电后牛顿模型和早期并合阶段IMR模型。
• 使用适用于并合阶段的频率范围，以确保波形建模的一致性。
• 利用LIGO-Virgo的GWTC-1事件目录进行参数估计与模型比较。
• 采用参数化后爱因斯坦方法约束电荷，而不假设特定的电荷生成机制。
• 通过与先前研究中费舍尔信息矩阵方法所得的贝叶斯证据和后验分布对比，验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在后牛顿近似下，黑洞电荷的引入如何影响引力波形？
• RQ2 当使用带电后牛顿波形建模时，GWTC-1事件中双黑洞电荷的贝叶斯约束是什么？
• RQ3 与通过费舍尔信息矩阵方法获得的结果相比，贝叶斯方法的约束结果如何？
• RQ4 在观测的GWTC-1事件中，哪种波形模型——标准后牛顿模型、带电后牛顿模型或早期并合阶段IMR模型——最符合数据？
• RQ5 在带电黑洞并合的背景下，对未来波形建模有何启示？

主要发现

• 贝叶斯对黑洞电荷的约束与先前研究中使用费舍尔信息矩阵方法获得的结果一致。
• 零阶带电后牛顿波形为分析双黑洞并合的早期并合信号提供了一个可行且一致的模型。
• 模型选择在部分事件中更倾向于带电后牛顿模型而非标准后牛顿模型，但证据不足以确认电荷为物理参数。
• 结果表明，当前数据无需引入电荷，但设定了可能电荷值的有意义上限。
• 本研究证明了开发完整的带电并合-振铃波形对双黑洞系统以实现更稳健和精确的约束的必要性。
• 本工作为未来引力波天文学中带电黑洞系统的贝叶斯分析奠定了基础。