[论文解读] Search for Lensed Gravitational Waves Including Morse Phase Information: An Intriguing Candidate in O2

Liang Dai, Barak Zackay+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 37被引用 50

一句话总结

论文在 LIGO-Virgo O2 数据中寻找强透镜与多像成像的引力波，利用 Morse 相位信息来识别罕见的被透镜放大的 BBH 事件三重像并评估透镜成像的可行性。

ABSTRACT

We search for strongly lensed and multiply imaged gravitational wave signals in the second observing run of Advanced LIGO and Advanced Virgo (O2). We exploit a new source of information, the so-called Morse phase, which further mitigates the search background and constrains viable lenses. The best candidate we find is consistent with a strongly lensed signal from a massive binary black hole (BBH) merger, with three detected images consisting of the previously catalogued events GW170104 and GW170814, and a subthreshold trigger, GWC170620. Given the number of BBH events detected so far, we estimate an overall false alarm probability $\sim 10^{-4}$ for the observed high degree of parameter coincidence between the three events. On the flip side, we measure the Morse phase differences which suggest a complex and atypical lens system, with at least five images including a magnified image at a local maximum of the Fermat potential. The low prior probability for multiple lensed images and the amount of fine tuning required in the lens model reduce the credibility of the lensing hypothesis. The long time delays between lensed images point toward a galaxy cluster lens with an internal velocity dispersion $σ\sim 650\,{ m km/s}$, and the observed strain amplitudes imply a likely range $0.4 < z \lesssim 0.7$ for the source redshift. We provide an error ellipse of $\sim 16\,{ m deg}^2$ for the sky location of the source together with additional specific constraints on the lens-host system, and encourage follow-up efforts to confirm or rule out any viable lens. If this is indeed a lensed event, successfully pinpointing the system would offer a unique opportunity to identify the host galaxy of a BBH merger, and even localize the source within it.

研究动机与目标

• 激发并量化在 O2 数据中强引力透镜对双黑洞合并事件的潜力。
• 结合 Morse 相位信息以降低搜索背景并约束可行的透镜模型。
• 评估三事件透镜像候选 GW170104, GWC170620, and GW170814 的统计显著性。
• 在透镜假设下联合估计内在和外在参数，并评估透镜成像的可行性。
• 建议进行观测跟进以识别可能的透镜宿主系统及宿主星系。

提出的方法

• 定义并计算一个基于似然的分数，用于候选像之间内在参数的一致性（S_int），与外在参数无关。
• 计算一个外在参数一致性分数（S_ext），考虑 Morse 相位位移和跨像到达时间差。
• 将 S_int 与 S_ext 结合，得到透镜关联的目录级虚警概率（FAP）（对于一对约为 1.1×10^-2；将一个次阈值像计入后，三重像约为 1.1×10^-4）。
• 使用 IMRPhenomD 波形，在共享天空位置、倾斜和极化的前提下，对三事件在透镜假设下进行有针对性的四参数联合参数估计。
• 通过联合作拟合推断 Morse 相位差和放大比，以约束透镜属性。
• 讨论一个可能的透镜是一个大型星系团，并探讨对透镜宿主系统的含义。

实验结果

研究问题

• RQ1 Morse 相位信息能否在有意义地将真实强透镜引力波像与不相关的巧合区分开来？
• RQ2 三个 BBH 事件（GW170104、GW170814、GWC170620）是否构成统计上有说服力的透镜像三重像？
• RQ3 如果三重像被透镜成像，隐含的透镜属性（大型星系团、速度色散）和源红移是多少？
• RQ4 联合 GW 分析产生的天空区域和透镜宿主约束有哪些，后续观测如何确认或排除透镜情景？

主要发现

Item	Value	Reference
Catalog FAP (GW170104, GW170814)	1.1×10^-2	Section II
Existence of GWC170620 (GPS time: 1181956460)	1.3×10^-2	Section II
Time delays (relative to GW170104)	0, 166.63 days, 222.01 days	Section IV
Morse phase differences (relative to GW170104)	0, π, π	Section III
Magnification ratios (relative to GW170814)	0.401±0.08, 0.0719±0.0024, 1	Section III
Apparent luminosity distance of GW170814	D_L^GW170814/√μ_GW170814 = 577^{+159}_{-216} Mpc	Section III
Expected number of lensed events in O2	10^-2–10^-3	Dai et al. (2017); Ng et al. (2018); Li et al. (2018); Oguri (2018); Robertson et al. (2020); Contigiani (2020)

• 三个 BBH 事件（GW170104、GW170814、GWC170620）可以被解释为同一源的透镜像，当考虑 Morse 相位和外在一致性后，目录级虚警概率约为 1.1×10^-4。
• Morse 相位差在事件之间的测量结果与几何透镜效应的期望一致（其中一个差约为 π，另一个近似 0），支持透镜成像假说但需要复杂透镜模型。
• 相对于 GWC170620，事件之间的放大比很大（约 14.5 和 5.7），意味着显著的透镜放大，且挑战非标准透镜配置。
• 联合参数估计给出源的天空定位约为 90% 置信下的 ~16 平方度，并在透镜假设下暗示源红移较低到中等 (0.4 < z < 0.7)。
• 推断的透镜可能是一个大型星系团，内部速度色散约 650 km/s，但所需的几何结构和 Morse 相位关系意味着需要一个高度微调且特殊的透镜模型，若无进一步证实会降低透镜成像的整体可信度。
• 论文在 Planck 目录中识别了潜在的簇透镜，并指出在随访观测中检测宿主星系的可能性。