[论文解读] Quantifying the evidence for primordial black holes in LIGO/Virgo gravitational-wave data.

Gabriele Franciolini, Vishal Baibhav+7 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 27

一句话总结

本研究对LIGO/Virgo GWTC-2目录中的引力波数据采用分层贝叶斯分析，评估原初黑洞（PBHs）在双黑洞并合事件中的证据。研究发现，在某些形成情景下，特别是涉及稳定质量转移通道的情景中，原初黑洞相比纯天体物理模型具有决定性优势，且可解释GW190521等事件以及上质量间隙中的其他事件，但该证据高度依赖于所假设的天体物理模型。

ABSTRACT

With approximately 50 binary black hole events detected by LIGO/Virgo to date and many more expected in the next few years, gravitational-wave astronomy is shifting from individual-event analyses to population studies. We perform a hierarchical Bayesian analysis on the GWTC-2 catalog by combining several astrophysical formation models with a population of primordial black holes. We compute the Bayesian evidence for a primordial population compared to the null hypothesis, and the inferred fraction of primordial black holes in the data. We find that these quantities depend on the set of assumed astrophysical models: the evidence for primordial black holes against an astrophysical-only multichannel model is decisively favored in some scenarios, but it is significantly reduced in the presence of a dominant stable-mass-transfer isolated formation channel. The primordial channel can explain mergers in the upper mass gap such as GW190521, but (depending on the astrophysical channels we consider) a significant fraction of the events could be of primordial origin even if we neglected GW190521. The tantalizing possibility that LIGO/Virgo may have already detected black holes formed after inflation should be verified by reducing uncertainties in astrophysical and primordial formation models, and it may ultimately be confirmed by third-generation interferometers.

研究动机与目标

• 评估LIGO/Virgo GWTC-2引力波目录中对原初黑洞（PBHs）的贝叶斯证据。
• 评估推断出的PBH比例如何依赖于竞争的天体物理形成模型。
• 确定PBH是否能解释如GW190521等观测事件，特别是上质量间隙中的事件。
• 调查当前数据是否已包含在暴胀后形成的原初黑洞的可探测信号。
• 识别影响当前数据中PBH证据解释的关键形成模型不确定性。

提出的方法

• 将分层贝叶斯框架应用于GWTC-2目录，同时建模多种天体物理形成通道与一个原初黑洞群体。
• 将多种天体物理模型（如具有稳定质量转移的孤立双星演化）与具有对数正态质量函数的PBH群体相结合。
• 通过计算贝叶斯证据，将包含多通道的完整模型（天体物理 + PBH）与纯天体物理模型的零假设进行比较。
• 该方法考虑了黑洞质量与红移的测量不确定性，使用来自引力波参数估计的似然函数。
• 分析涵盖了多种PBH形成情景，包括暴胀后质量分布与原初起源一致的情景。
• 通过贝叶斯因子进行模型比较，以量化PBH相对于纯天体物理形成通道的证据强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在与纯天体物理形成模型比较时，LIGO/Virgo GWTC-2目录中是否存在原初黑洞群体的贝叶斯证据？
• RQ2 原初黑洞是否能解释观测到的并合事件，特别是GW190521及上质量间隙中的其他系统？
• RQ3 推断出的原初黑洞比例如何依赖于所假设的天体物理形成通道集合？
• RQ4 主导的稳定质量转移通道在多大程度上会削弱原初黑洞的证据？
• RQ5 当前的引力波数据是否已包含早期宇宙中形成的原初黑洞的可探测信号？

主要发现

• 在某些形成情景下，原初黑洞的贝叶斯证据显著优于纯天体物理模型，尤其是在不存在主导稳定质量转移通道的情况下。
• 当存在主导的孤立稳定质量转移形成通道时，原初黑洞的证据显著减弱，表明结果具有模型依赖性。
• 原初黑洞可以解释上质量间隙中的并合事件，例如GW190521，即使该事件被排除在分析之外。
• 即使不包含GW190521，根据所假设的天体物理模型集合，仍可能有显著比例的双黑洞事件起源于原初起源。
• LIGO/Virgo可能已探测到原初黑洞的可能性依然存在，但需要降低形成模型参数的不确定性才能确认。
• 第三代引力波激光干涉仪最终可能证实部分探测到的黑洞具有原初起源。