[论文解读] Who Ordered That? Unequal-Mass Binary Black Hole Mergers Have Larger Effective Spins

T. A. Callister, C.‐J. Haster+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2021

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 113被引用 126

一句话总结

本研究对LIGO-Virgo引力波数据采用分层贝叶斯推断，揭示双黑洞并合中质量比（q）与有效自旋（χeff）之间存在显著的负相关性：质量比越不相等的系统，其χeff系统性地更大。分析以98.7%的可信度发现，该相关性的贝叶斯似然比为10.5，支持该相关性存在，这与标准形成模型的预测相矛盾，且对q与χeff之间的测量退化不敏感。

ABSTRACT

Hierarchical analysis of the binary black hole (BBH) detections by the Advanced LIGO and Virgo detectors has offered an increasingly clear picture of their mass, spin, and redshift distributions. Fully understanding the formation and evolution of BBH mergers will require not just the characterization of these marginal distributions, though, but the discovery of any correlations that exist between the properties of BBHs. Here, we hierarchically analyze the ensemble of BBHs discovered by the LIGO and Virgo with a model that allows for intrinsic correlations between their mass ratios $q$ and effective inspiral spins $\chi_\mathrm{eff}$. At $98.7\%$ credibility, we find that the mean of the $\chi_\mathrm{eff}$ distribution varies as a function of $q$, such that more unequal-mass BBHs exhibit systematically larger $\chi_\mathrm{eff}$. We find Bayesian odds ratio of $10.5$ in favor of a model that allows for such a correlation over one that does not. Finally, we use simulated signals to verify that our results are robust against degeneracies in the measurements of $q$ and $\chi_\mathrm{eff}$ for individual events. While many proposed astrophysical formation channels predict some degree correlation between spins and mass ratio, these predicted correlations typically act in an opposite sense to the trend we observationally identify in the data.

研究动机与目标

• 调查双黑洞并合中质量比（q）与有效旋进自旋（χeff）之间是否存在相关性。
• 确定观测到的χeff趋势是由选择效应引起，还是源于群体内部的相关性。
• 检验该相关性检测对q与χeff之间测量退化等系统性效应的稳健性。
• 将观测到的相关性与天体物理形成模型的预测进行比较。

提出的方法

• 将分层贝叶斯推断应用于GWTC-2中的44个双黑洞事件，对质量比q与有效自旋χeff的联合分布进行建模。
• 采用灵活的群体模型，允许χeff分布的均值随q变化，由斜率α参数化。
• 通过LIGO-Virgo的软件注入纳入选择效应，以校正观测样本中的探测偏差。
• 使用Bilby进行参数估计，采用IMRPhenomD波形模型，并对χeff和q采用非信息性先验。
• 开展模拟注入研究，验证q与χeff之间的测量退化不会导致q–χeff相关性的虚假检测。
• 对后验样本进行重新加权，以匹配各向同性自旋先验，确保与已发表结果的一致性比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 双黑洞群体中，质量比q与有效自旋χeff之间是否存在统计显著的相关性？
• RQ2 观测到的趋势——质量不等系统具有更大的χeff——是由测量退化引起，还是源于群体内部结构？
• RQ3 该相关性检测对选择偏差和波形建模等系统性效应的稳健性如何？
• RQ4 观测到的相关性是否与标准天体物理形成通道的预测一致？

主要发现

• 在98.7%可信度下，有效自旋分布（χeff）的均值随质量比q变化，表明质量比越不相等的系统，χeff系统性地增加。
• 与无相关性模型相比，q–χeff相关性模型的贝叶斯似然比为10.5，表明该相关性具有强有力的统计支持。
• 观测到的q与χeff之间的负相关性与标准形成模型的预测不一致，后者通常预测相反趋势。
• 注入研究证实，q与χeff之间的测量退化不会产生虚假相关性，验证了结果的稳健性。
• 该相关性对先验变化具有稳健性，且对主星质量或红移分布推断的影响可忽略。
• GW190412与GW190517是导致观测趋势的关键事件，GW190814因性质不确定且为异常值被排除。