[论文解读] Testing the wormhole echo hypothesis for GW231123

Qi Lai, Qing-Yu Lan+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2026

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 0

一句话总结

本文测试 GW231123 是否更适合由虫洞回声信号描述，而非标准 BBH 合并，在最小化单脉冲模板下对回声模型的支持为弱到中等。

ABSTRACT

The short-duration gravitational-wave (GW) event GW231123 has inferred component masses in the pair-instability mass gap and exhibits a burst-like morphology with no clearly inspiral, making it an interesting target for tests beyond the standard binary black hole (BBH) interpretation. In this work, motivated by its phenomenological similarity to GW190521, we test whether GW231123 is compatible with a wormhole-echo scenario by modeling a leading echo pulse with a well-motivated phenomenological sine-Gaussian wavepacket. We perform Bayesian model comparison against a BBH baseline described by the IMRPhenomXPHM-SpinTaylor waveform, and obtain the Bayes factor ratio $\ln B^{ m Echo}_{ m BBH} = 1.87$, corresponding to weak-to-moderate support for the echo hypothesis. In our previous analysis for GW190521 within the same overall framework, we found $\ln B^{ m Echo}_{ m BBH} \approx -2.9$, implying a shift of $Δ\ln B \approx 4.8$ between the two events. This sign change indicates that GW231123 is more compatible with a single-pulse echo description than GW190521.

研究动机与目标

• 由于其质量缝隙分量与突发样形态，激发对非标准 BBH 解释的测试以研究短时 GW231123 的可能性。
• 开发一个现象学的正弦-高斯回声模型来表示领先回声脉冲。
• 使用一致的基线 BBH 波形进行贝叶斯模型选择，比较回声与 BBH 假设。
• 量化 GW231123 数据对回声模板参数的约束，并评估回声假说的统计显著性。

提出的方法

• 采用现象学的正弦-高斯波形 h(t)=A_m exp[-(t-t_c)^2/(2β^2)] cos[2π f_n (t-t_c)+φ] 来描述领先回声脉冲。
• 以 IMRPhenomXPHM-SpinTaylor 作为 BBH 基线波形进行直接贝叶斯比较。
• 使用贝叶斯证据与对数贝叶斯因子 ln B_Echo_BBH 比较回声与 BBH 假设，其中 p(d|H_i) 为证据，p(d|H_0) 代表噪声。
• 探索回声参数（A_m, β, f_n, ψ, φ, ι, α, δ, t_c）的先验设置，如指定的包含各向同性天空先验，并在 20–256 Hz 区间分析 H1 与 L1 的 GW231123 数据。
• 使用 Parallel Bilby 与嵌套抽样（N_live=1500）进行参数估计，ΔlnZ = 0.1 时终止。

实验结果

研究问题

• RQ1 GW231123 是否比标准 BBH 解释更符合虫洞回声描述？
• RQ2 数据带来的领先回声脉冲参数（f_n, β, t_c, A_m）的后验约束是什么？
• RQ3 在此分析设定下，回声模型相对于 BBH 基线的证据强度如何？
• RQ4 GW231123 是否展现出与虫洞后合并情景一致的单脉冲回声证据？

主要发现

• BBH 推断得到 m1=150^{+12}_{-12} M_sun, m2=93^{+18}_{-20} M_sun, χ1=0.88^{+0.08}_{-0.08}, χ2=0.77^{+0.18}_{-0.43}。
• 对于回声模型，中心频率为 f_n=53^{+0.6}_{-0.6} Hz，在相关后合并带内得到严格约束。
• 网络信噪比对两种假设相似：回声 SNR_net=20.99，BBH SNR_net=21.93（H1/L1 合并），总 LVK 类网络 SNR 约为 BBH 的 22.4。
• 贝叶斯因子偏好回声假设：ln B_Echo_BBH = 1.87，表明在此设定下对回声的支持为弱到中等。
• 这一结果与 GW190521 相异，后者的 ln B_Echo_BBH 约为 -2.9，暗示 GW231123 相对更符合单脉冲回声描述。
• 作者提醒结果具有模型依赖性，且最小单脉冲回声模板可能忽略自旋与多回声等效应。