[论文解读] Searching for gravitational wave echoes in GWTC-1 and O3 events

Yutong Wang, Yun-Song Piao|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

本研究使用贝叶斯模型选择与马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）分析，在所有GWTC-1与O3引力波事件中搜索引力波回声信号，采用现象学IMRE（旋进-并合- ringing-down-回声）波形模型。在全部事件集中未发现回声存在的统计显著证据，联合贝叶斯因子表明对回声模型的偏好不足1σ，尽管少数单个事件显示出1–2σ水平的微弱迹象。

ABSTRACT

Gravitational wave (GW) echoes, if they exist, would be a probe to the near-horizon physics of black hole. In this brief report, we performed the Monte Carlo Markov Chain analysis to search for echo signal in all GWTC-1 and O3 GW events. We focus on the Insprial-Merger-Ringdown-Echo (IMRE) waveform, and apply the Bayesian model selection to compare the IMRE result with IMR's (no echo). We find no statistically significant ($<1σ$ combined) evidence for the GW echoes and only individual GW events with the echoes at $1\sim 2σ$ significance.

研究动机与目标

• 探究所有GWTC-1与O3引力波事件中是否存在引力波回声，作为广义相对论之外近视界物理的探针。
• 通过贝叶斯模型选择，检验IMRE（旋进-并合-ringing-down-回声）波形模型相较于标准IMR（无回声）模型是否具有更优拟合效果。
• 评估在考虑潜在非均匀回声间隔的情况下，回声信号在多个事件中的统计显著性。
• 评估当前探测器对回声信号的敏感度，并识别未来探测的有希望候选事件。

提出的方法

• 本研究采用现象学IMRE波形模型，在标准IMR波形基础上增加回声分量，其中回声振幅按1/(3+n)衰减，回声间隔随参数r线性增加。
• 利用emcee3.0.2包与MGWB代码实现的MCMC算法，探索包含IMR参数、回声振幅比𝒜、回声持续时间β、回声间隔增量r、回声起始时间t_echo及回声周期Δt_echo在内的完整参数空间。
• 通过对数贝叶斯因子ln B₀₁ = ln[p(d|H₁,I)/p(d|H₀,I)]进行贝叶斯模型选择，比较每个事件中IMRE模型（H₁）与标准IMR模型（H₀）的拟合优度。
• 通过将各事件的对数贝叶斯因子相加，计算所有事件的联合贝叶斯因子，以评估整体模型偏好。
• 分析同时考虑恒定与增加的回声间隔模型，其中r ≠ 0表明可能存在如虫洞等奇异致密天体的特征信号。
• 可视化关键参数的后验分布，例如GW190425事件中68%与95%可信区域的显示。

实验结果

研究问题

• RQ1 在使用贝叶斯模型比较时，GWTC-1与O3引力波事件集中是否存在统计显著的引力波回声证据？
• RQ2 即使在整体样本中未显示偏好，是否有任何单个引力波事件表现出对IMRE模型相较于标准IMR模型的偏好？
• RQ3 通过参数r引入非均匀回声间隔后，对回声信号检测显著性有何影响？
• RQ4 在所有事件中，对回声模型的整体偏好程度如何？与当前探测器的敏感度相比如何？
• RQ5 某些事件中观察到的微弱迹象（如GW170817、GW190412）是否能通过未来更灵敏的探测器得到确认？

主要发现

• 所有GWTC-1事件的联合贝叶斯因子为-1.49，对应对IMR模型的0.14σ偏好，表明无显著回声证据。
• 所有O3事件的联合贝叶斯因子为-1.08，对应对IMR模型的0.26σ偏好，表明O3数据相比GWTC-1具有略优的灵敏度。
• GW151012表现出最强的单个事件证据，其对数贝叶斯因子为1.96，对应IMRE模型1.84σ的显著性。
• GW170817与GW170823的对数贝叶斯因子均为0.55，对应1.10σ显著性，表明对回声存在有微弱正向提示。
• 无任何事件的证据超过2σ显著性，且无任何事件集合在超过1σ水平上表现出对回声模型的整体偏好。
• 结果表明，尽管当前数据不支持引力波回声的存在，但未来如aLIGO O5或爱因斯坦望远镜等更灵敏探测器若存在此类信号，或可实现探测。