通过调谐高次谐波丰富双黑洞引力波的交响乐

我们首次在有效单体形式体系内构建了自旋、非进动双黑洞的旋进-并合-铃宕波形模型，其包含了主导 $(\ell,|m|) = (2,2)$ 模式之外的高阶引力模式，具体为 $(\ell,|m|)=(2,1),(3,3),(4,4),(5,5)$。我们的多极波形模型融合了近期（重整化）后牛顿理论关于旋进的结果，以及来自157次数值相对论模拟和13个黑洞微扰理论关于（ plunge-）并合与铃宕的波形信息。我们通过计算该波形模型相对于用于构建模型的数值相对论波形的忠实度，量化了包含高阶模式所带来的精度提升。我们将忠实度定义为在时间、到达相位、引力波偏振和波形模型天空位置上最大化匹配，并在数值相对论波形的双星取向、引力波偏振和天空位置上取平均后的匹配值。当波形模型仅含 $(2,2)$ 模式时，我们发现对于总质量为 $20-200 M_\odot$ 的双星（采用Advanced LIGO设计噪声曲线），其对包含所有 $\ell \leq$ 5 模式的数值相对论波形的平均忠实度在 $90\%$ 到 $99.9\%$ 之间。相比之下，当模型中还包含 $(2,1),(3,3),(4,4),(5,5)$ 模式时，除数值相对论目录中四个构型外，忠实度均提升至 $99\%$，而这四种构型的忠实度大于 $98.5\%$。利用我们的结果，我们还开发了一个针对并合-铃宕信号的（独立）波形模型，经数值相对论波形校准，可用于测量多个准正态模式。该多极波形模型可扩展至包含自旋进动，并将用于Advanced LIGO和Virgo即将到来的观测运行。