Inspiral-merger-ringdown waveforms of spinning, precessing black-hole binaries in the effective-one-body formalism
我们描述了一个通用的程序来产生自旋，进动波形，包括inspiral，合并和衰荡阶段的有效一体（EOB）的方法。该程序使用的进动框架中，进动引起的振幅和相位调制最小化，和惯性系，与自旋的最后黑洞，在其中我们进行了匹配的吸气暴跌合并振铃波形对齐。作为第一个应用程序，我们建立自旋，进动EOB波形的引力模式l=2，使在nonprecessing限制这些波形同意EOB波形最近校准的数值相对论波形。在不重新校准EOB模型的情况下，我们将EOB和后牛顿进动波形与Caltech-Cornell-CITA合作产生的两个数值相对论波形进行比较。数值波形有35个和65个重力波周期。我们发现EOB和数值相对论的旋进波形和自旋演化有着显著的一致性。合并时的相位差约为0.2 rad，而使用高级LIGO噪声谱密度计算的失配在仅在合并时的时间和相位以及偏振角上最大化时低于2%。
2013-07-23 gr-qc
A quasi-physical family of gravity-wave templates for precessing binaries of spinning compact objects: Application to double-spin precessing binaries
由两个质量相当的旋转致密天体组成的进动双星在绝热螺旋过程中发射的引力波形，在后牛顿近似下进行评估，可以通过将两个自旋之一设置为零而获得的波形相当准确地再现，至少对于地基引力波干涉仪的检测来说。本文提出用这种准物理的单自旋模板族搜索双自旋进动双星发射的信号，发现它对[3，15]Msun × [3，15]Msun中的源质量（m1，m2）的信号匹配性能是令人满意的。对于这个质量范围，使用LIGO-I设计灵敏度，我们估计产生0.97的最小匹配所需的模板数量约为320，000。我们还讨论了单自旋模板族可以用来估计原始双自旋进动双星的参数的精度。
2006-07-26 gr-qc
Asymptotically Matched Spacetime Metric for Non-Precessing, Spinning Black Hole Binaries
我们构建了一个封闭的形式，完全解析的4-度规，近似代表了时空演化的非进动，旋转黑洞二进制从无限分离到几个轨道之前合并。我们采用渐近匹配的技术，将每个自旋黑洞附近的扰动克尔度规连接到更远的近区后牛顿度规。后者已经自然地匹配到远区，后闵可夫斯基度量，占全部时间延迟。其结果是一个4-度量，它在空间和一小丛空间超曲面中近似处处有效。我们在这里限制我们的注意力准圆轨道，但该方法是有效的任何轨道运动或物理场景，提供一个重叠区域的有效性或缓冲区存在。这样一个度量的一个简单的扩展将允许未来的研究吸积盘和喷流动力学周围的旋转回洞双星。
2012-08-31 gr-qc
Modeling gravitational recoil from precessing highly-spinning unequal-mass black-hole binaries
我们测量了不等质量黑洞-双星合并的引力反冲，其中较大的黑洞具有自旋a/m^H=0.8，较小的黑洞不自旋。我们选择我们的配置，使得最初，自旋位于轨道平面上。自旋和轨道平面明显进动，我们发现面外反冲（即垂直于合并周围轨道平面的反冲）随η^2 /（1+q）变化，与我们之前基于后牛顿标度的预测一致。
2009-03-18 astro-ph gr-qc
Transition from inspiral to plunge in precessing binaries of spinning black holes
我们研究了自旋黑洞双星的非绝热动力学，通过使用一个完整的辐射-反作用力的分析哈密顿量，包含自旋耦合，这符合已知的准圆轨道上的能量和角动量损失率。我们考虑一个简单的后牛顿扩展的哈密顿量（包括自旋依赖项），和一个版本的有效的单体方法定义的图解后牛顿哈密顿量。我们重点讨论了自旋项对动力学和波形的影响。我们计算了在最后的螺旋和暴跌阶段释放的能量和角动量。对于等质量的双星，当使用更可靠的有效单体动力学时，发现在40 Hz和超过我们的分析处理变得不可靠的频率之间释放的能量为：反对齐的最大自旋黑洞为0.6% M，对齐的最大自旋黑洞为5% M，非自旋配置为1.8% M。为了证实以前的结果，我们发现，对于所考虑的所有双星，无量纲旋转参数J/E^2在螺旋的末端总是小于1，因此克尔黑洞可以在螺旋阶段之后立即形成。通过匹配准正常模式衰荡的最后一个可靠的阶段的暴跌，我们构建完整的波形近似描述的引力波信号发射的整个过程中的旋进双星的旋转黑洞。
2005-08-16 gr-qc
Validating the effective-one-body model of spinning, precessing binary black holes against numerical relativity
在文献[1]中，LIGO探测到的第一个引力波GW 150914的性质是通过采用进动双黑洞的有效单体（EOB）模型测量的，其基础动力学和波形被校准到数值相对论（NR）模拟。在这里，我们进行了第一次广泛的比较，这样的EOBNR模型70进动NR波形，跨度质量比从1到5，无量纲自旋幅度高达0.5，通用的自旋方向，约20轨道的长度。我们在观测者的惯性系中工作，并包括引力波偏振中的所有$\ell=2$模式。我们介绍了EOB振铃信号的频谱和发病时间的新处方。当总质量在10 Msun和200 Msun之间时，我们发现当考虑Advanced-LIGO设计噪声曲线时，旋进EOBNR波形对NR波形的不忠实性在3%以内。这一结果是在没有重新校准基础的非旋进EOBNR模型的吸气暴跌。利用EOBNR波形的到达时间和相位、天空位置和极化的最大化来计算不忠实性，并且将其在NR信号的天空位置和极化上平均。我们还提出了NR和EOBNR波形之间的比较，跟踪轨道进动的帧。
2016-07-19 gr-qc
Detection and Parameter Estimation of Gravitational Waves from Compact Binary Inspirals with Analytical Double-Precessing Templates
我们研究了各种分析频域模板的性能，用于探测和参数估计的引力波从自旋进动，准圆形，紧凑的二进制inspirals。我们首先评估在何种程度上非自旋，自旋对齐，和新的（分析，频域，小自旋）双旋频域模板可用于检测信号从这样的系统。对于高于$0.2$的有效无量纲自旋值，使用非自旋或自旋对齐模板进行检测将导致所有事件中最多损失$30%$，而在双进动模型的情况下，这永远不会超过$6%$。此外，即使对于来自具有小自旋的系统的信号，非自旋和自旋对准模板也会在提取的质量和自旋中引入较大的偏差。使用编码自旋诱导的进动效应的模型，例如双进动模型，将质量和自旋提取提高了一个数量级。如果人们希望从引力波信号中提取最大量的信息，那么自旋-轨道相互作用中编码的附加信息是无价的。
2014-05-14 gr-qc
Modeling the remnant mass, spin, and recoil from unequal-mass, precessing black-hole binaries: The Intermediate Mass Ratio Regime
我们重新建模的剩余黑洞的属性，导致合并的黑洞二进制的参数的函数。我们提供了一组经验公式的最终质量，自旋和反冲速度的最终黑洞的质量比和个别自旋的祖先的函数。为了确定这些公式的拟合系数，我们进行了一组128个新的数值演化的进动，不等质量的黑洞二进制文件，并适合由此产生的残余质量，自旋和反冲。为了降低分析的复杂性，我们选择了这样的配置，其中一个黑洞旋转，无量纲自旋α =0.8，相对于轨道角动量的角度不同，另一个不旋转。除了演化出具有不同自旋倾角的双星家族，我们还演化出质量比小至q=1/6的双星。我们使用由此产生的经验公式来预测的概率黑洞合并导致一个给定的反冲速度，总辐射引力能，和最终的黑洞自旋。
2016-07-20 astro-ph.GA astro-ph.HE gr-qc
Addressing the spin question in gravitational-wave searches: Waveform templates for inspiralling compact binaries with nonprecessing spins
本文提出了一个后牛顿（PN）模板家庭的引力波形从吸入紧凑的双星与非旋进的自旋，其中的自旋效应是由一个单一的“约化自旋”参数。这个模板族，它重新参数化的所有自旋相关的PN条款的首阶（1.5 PN）自旋轨道耦合项\emph{in an approximate way}，有很高的重叠（拟合因子> 0.99）与非旋进双星与任意质量比和自旋。我们还证明了这个模板族对于相当大一部分质量相当的自旋双星（m_2/m_1 <~ 10）的探测是“有效的”，为从自旋低质量双星中寻找引力波（GW）提供了一种有吸引力和可行的方法。我们还指出，在相当质量（m_1 ~= m_2）区域，相位演化中的长期（非振荡）自旋相关效应（非旋进模板考虑到的）比旋进的振荡效应更重要。因此，与非旋进旋转模板相比，非旋转模板的有效性在这种情况下特别差。对于高级LIGO观测到的双星中子星，即使是中等自旋（L。S/m^2 ~= 0.015 - 0.1）将导致与非纺丝模板相当大的失配（~ 3% - 25%）。这与中子星自旋可能与GW探测无关的预期相反。
2011-09-12 astro-ph.HE gr-qc
Post-Newtonian factorized multipolar waveforms for spinning, non-precessing black-hole binaries
本文将Damour、Iyer和Nagar提出的多极波形的因式分解再表示推广到自旋黑洞。对于非自旋的试验粒子在赤道平面内螺旋运动的Kerr黑洞，我们发现，当轨道速度v \leq为0.4时，将剩余相对论振幅f_{l m}用其l次方根ρ_{lm} = f_{l m} ^{1/l}代替的因式多极振幅与数值振幅在直到Kerr自旋值q \leq 0.95的范围内相当一致。数值振幅计算求解Teukolsky方程与频谱代码。在高速条件下，适当地扣除ρ l m中的低阶后牛顿贡献，可以进一步改善Kerr黑洞的大自旋和超快轨道的一致性.在一个更好的和系统的数值和分析振幅（和能量通量）之间的协议比标准的泰勒展开后牛顿近似的remation过程的结果。这对于高阶模尤其如此，例如（2，1）、（3，3）、（3，2）和（4，4），对于这些高阶模，已知较少的自旋后牛顿项。我们也将多极振幅的因式分解再确认推广到一般质量比、非旋进、自旋的黑洞。最后，在我们的研究中，我们采用新的，最近计算的，高阶后牛顿条款在几个次主导模式，并计算显式表达式的一半和一个半后牛顿贡献的奇宇称（电流）和偶宇称（奇）多极子，分别。这些结果可用于为地基和天基引力波探测器建立更准确的模板。
2013-05-09 gr-qc
Numerical relativity higher order gravitational waveforms of eccentric, spinning, non-precessing binary black hole mergers
我们使用开源的，社区驱动的，数值相对论软件，爱因斯坦工具包，研究偏心，旋转，非旋进的二进制黑洞合并与质量比$q=\{2, 4, 6\}$，个别无量纲自旋参数$χ_{1z}=\pm0.6$，$χ_{2z}=\pm0.3$，其中包括高阶引力波模式$\ell\leq4$，除了记忆模式的物理。假设恒星质量的二进制黑洞合并，可以检测到先进的LIGO探测器，我们发现，包括模式高达$\ell=4$增加的信号噪声之间的$3.5\%$到$35\%$的紧凑型二进制文件，相比，只包括$\ell=|m|=2$模式的信号。我们使用两个波形模型，TEOBResumS和SEOBNRE，其中包括自旋和偏心率校正的波形动力学，量化的轨道偏心率的数值相对论目录规范不变的方式，通过拟合因子计算。我们的研究结果表明，包含高阶波模式有一个可测量的影响，在恢复中度和高度偏心黑洞合并，因此，它是必不可少的波形模型和信号处理工具，准确地描述这些天体物理源的物理。
2023-03-21 gr-qc
Detecting gravitational waves from precessing binaries of spinning compact objects. II. Search implementation for low-mass binaries
检测模板族（DTFs）的建立，以捕捉真正的重力波形的基本特征，使用一个小的唯象波形参数集。Buonanno，Chen和Vallisneri [Phys. Rev. D 67，104025（2003）]提出了“BCV 2”DTF，用于对来自紧凑恒星天体的进动双星的信号进行计算有效的搜索。在这里，我们测试的BCV 2 DTF的信号匹配性能的非对称的质量比的二进制文件，特别是双黑洞二进制文件的组件质量（m1，m2）：（6~ 12 Msun，1~ 3 Msun），和黑洞中子星二进制文件的组件质量（m1，m2）=（10 Msun，1.4 Msun），我们采取所有的黑洞最大自旋。我们发现一个令人满意的信号匹配性能，拟合因子平均在0.94和0.98之间。我们还范围出的区域的BCV 2参数需要基于模板的搜索，我们评估的模板匹配度量，我们讨论了模板放置策略，我们估计的模板数量需要在LIGO设计的灵敏度搜索。此外，在获得更多的洞察力的自旋-轨道进动的动力学，我们提出了一个修改的BCV 2 DTF的参数化的物理（而不是唯象）参数。我们测试了这个修改后的“BCV 2 P”DTF（10 Msun，1.4Msun）黑洞-中子星系统，发现与BCV 2 DTF相当的信号匹配性能，以及对目标二元量（如啁啾质量和张开角（黑洞自旋和轨道角动量之间的角度））的可靠参数估计能力。
2005-08-16 gr-qc
AI and extreme scale computing to learn and infer the physics of higher order gravitational wave modes of quasi-circular, spinning, non-precessing binary black hole mergers
Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）；University of Illinois at Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）；University of Chicago（芝加哥大学）；Tata Institute of Fundamental Research（塔塔基础研究所）
我们使用人工智能（AI）来学习和推断准圆形，旋转，非旋进的二元黑洞合并的高阶引力波模式的物理。我们使用1400万个波形训练人工智能模型，这些波形是由代理模型NRHybSur3dq8产生的，其中包括高达$\ell \leq 4$和$(5,5)$的模式，除了$(4,0)$和$(4,1)$，它们描述了具有质量比$q\leq8$、单个自旋$s^z_{\{1,2\}}\in[-0.8, 0.8]$和倾角$θ\in[0,π]$的二进制。我们的概率人工智能代理可以准确地约束质量比、单个自旋、有效自旋、以及描述这种信号流形的数值相关性波形的倾斜角。我们将我们的AI模型的预测与高斯过程回归，随机森林，k最近邻和线性回归进行了比较，并通过PyCBC推理工具包与传统的贝叶斯推理方法进行了比较，发现AI在准确性方面优于所有这些方法，并且比传统的贝叶斯推理方法快三到四个数量级。我们的人工智能代理人在Summit超级计算机的1，536个NVIDIA V100 GPU上使用分布式训练在3.4小时内完成了训练。
2022-10-27 astro-ph.IM cs.AI gr-qc
High-accuracy waveforms for black hole-neutron star systems with spinning black holes
精确的数值波形是建立和标定引力波天体物理波形模型的重要条件。然而，对于黑洞-中子星双星，很少有精确的波形是公开的。最新的模型校准到大量的旧的模拟具有良好的参数空间覆盖率低自旋非旋进双星，但精度有限，和一个更长的时间少得多，更近的模拟仅限于非自旋黑洞。在本文中，我们提出了三个新的系统，包括快速旋转的黑洞，和一个旋进配置长，精确的数值波形。我们详细研究模拟的准确性，特别是在BHNS二进制文件的背景下，第一次执行波形外推方法的柯西特征提取的结果的详细比较。新波形在螺旋期间具有$<0.1\,{\rm rad}$相位误差，在合并时上升到$\sim (0.2-0.4)\,{\rm rad}$误差，并且在其幅度中具有$\lesssim 1\%$误差。我们计算最近的分析模型，这些数值结果的忠实性，并发现专门为BHNS二进制执行良好的模型（$F>0.99$）的二进制文件看到的face-on.For边缘上的意见，特别是进动系统，模型和模拟之间的分歧增加，和模型，包括进动和/或高阶模式开始比BHNS模型，目前缺乏这些功能。
2020-10-27 astro-ph.HE gr-qc
Detecting gravitational waves from precessing binaries of spinning compact objects: Adiabatic limit
在准圆轨道上运行的黑洞双星（BH）是第一代地基引力波探测器最有希望的来源之一，其质量为m=5- 20 Msun。到目前为止，数据分析技术的发展，以检测这些来源的GWs主要集中在nonspinning BH。自旋情况下的数据分析问题是复杂的必要性，以模拟岁差引起的调制的GW信号，并通过大量的参数需要表征系统，包括初始方向的自旋，和相对于GW检测器的二进制的位置和方向。在本文中，我们考虑最大自旋黑洞的二进制文件，我们在绝热-inspiral制度中工作，以建立调制检测模板的家庭，（i）是非常少的物理和唯象参数的函数，（ii）模型非常好的动力学和岁差效应对GW信号的影响，平均拟合因子>~ 0.97，但（iii）可能需要增加检测阈值，至少部分抵消了拟合因子的增益。我们的检测模板家庭也是相当有前途的中子星黑洞双星的情况下，平均〜 0.93的拟合因子。对于这些二进制文件，我们还建议（但不测试）进一步的模板家庭，这将产生基本上精确的波形直接写入的物理自旋参数。
2006-07-26 gr-qc
A physical template family for gravitational waves from precessing binaries of spinning compact objects: Application to single-spin binaries
由旋转致密天体的进动双星发射的引力波（GW）的检测是复杂的，需要大量的参数（如自旋的幅度和初始方向，以及双星相对于检测器的位置和方向）来精确地模拟GW信号的进动诱导调制。在本文中，我们描述了一种快速匹配滤波搜索方案的旋进二进制，我们采用的物理模板家庭提出的Buonanno，陈，和Vallisneri [物理。Rev。D 67，104025（2003）]地基干涉仪。这个系列提供了基本上精确的波形，直接用物理参数写出来，用于具有单个显著自旋的双星，并且观察到的GW信号在绝热螺旋上升阶段发射（对于LIGO-I和VIRGO，这对应于总质量M <15 Msun）。我们展示了如何在所有参数上自动最大化检测统计量（包括双星相对于探测器的位置和方向），除了四个（两个质量、单个自旋的大小以及自旋与轨道角动量之间的张角），因此搜索中使用的模板库仅为四维;该技术也与使用星载探测器LISA从极端质量比的螺旋和超大质量黑洞螺旋中搜索GW有关。利用LIGO-I的设计灵敏度，我们计算了10^（-3）/年的虚警概率所需的探测阈值（~10），以及0.97的最小匹配所需的模板数量（~ 76，000），质量范围（m1，m2）=[7，12]Msun*[1，3]Msun。
2006-07-26 gr-qc
Effective-one-body waveforms calibrated to numerical relativity simulations: coalescence of non-precessing, spinning, equal-mass black holes
我们提出了第一次尝试校准的有效单体（EOB）模型，以准确的数值相对论模拟旋转，非旋进黑洞双星。在1000 M的时间间隔内以低频对齐EOB和数值波形，我们首先估计数值波形中的相位和幅度误差，然后通过校准少数EOB可调参数来最小化数值波形和EOB波形之间的差异。在等质量，自旋对齐的情况下，我们发现，数值和EOB（2，2）模式之间的相位和分数振幅差可以减少到0.01弧度和1%，分别在整个inspiral波形。在等质量、自旋反对齐的情况下，这些差异在螺旋和切入期间可以减小到0.13弧度和1%，并且在合并和振铃期间可以减小到0.4弧度和10%。在自旋对齐的情况下，波形一致性在数值误差范围内，而在自旋反对齐的情况下，波形一致性略高于数值误差。使用增强型LIGO和高级LIGO噪声曲线，我们发现EOB和数值（2，2）模式之间的重叠，在初始阶段和到达时间最大化，大于0.999的总质量为30- 200 Ms的二进制文件。除了前导（2，2）模式，我们比较了四个子前导模式。我们发现良好的振幅和频率之间的协议的EOB和数值模式的自旋配置考虑，除了（3，2）模式的自旋反对齐的情况下。我们认为，在（3，2）模式的较大差异是由于缺乏知识的后牛顿自旋效应在更高的模式。
2010-01-26 gr-qc
Implementing a search for gravitational waves from non-precessing, spinning binary black holes
用LIGO和Virgo从二元黑洞（BBH）中搜索引力波（GW）涉及到对一组代表性信号波形（模板库）进行匹配滤波数据，选择这些信号波形以尽可能少的模板波形覆盖感兴趣的整个信号空间。虽然分量黑洞可能具有显著的角动量（自旋），但之前对BBH的搜索仅使用两个分量自旋均为零的波形过滤了LIGO和Virgo数据。这导致信号的信噪比损失，而不是这种情况。结合最好的模板放置技术和波形模型，我们构建了一个模板库的GW信号从BBH与组件自旋$χ_{1,2}\in [-0.99, 0.99]$对准的轨道角动量，组件质量$m_{1,2}\in [2, 48]\,\mathrm{M}_\odot$，和总质量$M_\mathrm{total} \leq 50\,\mathrm{M}_\odot$。使用自旋效应的有效单体波形，我们表明，由于银行的离散性，这些信号的最大信噪比（SNR）的损失小于$3\%$，使用早期先进的LIGO噪声曲线。我们使用模拟先进的LIGO噪声来比较这个银行的敏感性，覆盖相同的参数空间的非旋转银行。在这样做时，我们考虑改进的SNR和基于信号的否决之间的竞争效应，以及由于覆盖更大的参数空间而导致的对齐自旋库的错误警报率的增加。我们发现，对齐的自旋银行可以是一个因素$1.3$ - $5$更敏感的比一个非自旋银行BBH无量纲自旋$> +0.6$和组件质量$\gtrsim 20\,\mathrm{…
2016-03-31 gr-qc
PRECESSION: Dynamics of spinning black-hole binaries with python
我们提出的数字代码PRECESSION：一个新的开源Python模块，研究进动黑洞二进制在后牛顿政权的动力学。该代码提供了一个全面的工具箱，（一）研究黑洞自旋沿其进动周期的演变，（二）执行引力波驱动的二进制inspirals使用轨道平均和岁差平均积分，和（iii）预测合并残留物的性质，通过拟合公式从数值相对论模拟。PRECESSION是一个随时可用的工具，可将黑洞自旋动力学添加到更大规模的数值研究中，如引力波参数估计代码、预测引力波事件率的总体合成模型、星系合并树和结构形成的宇宙学模拟。PRECESSION提供了快速可靠的积分方法，将黑洞双星的统计样本从它们形成的大间隔传播到它们变得可检测的小间隔，从而将旋转黑洞双星的引力波观测与它们的天体物理形成历史联系起来。该代码也是一个有用的工具，计算初始参数的数值相对论模拟针对特定的进动系统。PRECESSION可以从Python包索引安装，它在Github上的版本控制下免费分发，在那里提供了进一步的文档。
2017-12-15 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Physics-inspired deep learning to characterize the signal manifold of quasi-circular, spinning, non-precessing binary black hole mergers
National Center for Supercomputing Applications, University of Illinois at Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校国家超级计算应用中心）；Department of Physics, University of Illinois at Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校物理系）；Department of Astronomy, University of Illinois at Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校天文学系）；Department of Electrical and Computer Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校电气与计算机工程系）
双黑洞合并的自旋分布包含了关于这些物体形成通道的关键信息，以及它们形成、演化和合并的天体物理环境。为了量化深度学习对描述准圆形、自旋、非旋进二元黑洞合并信号流形的适用性，我们引入了一个修改后的WaveNet版本，该版本采用了一种新的优化方案，该方案结合了天体物理学黑洞自旋特性的广义相对论约束。使用在NRHybSur3dq 8有效性范围内生成的150万个$\ell=|m|=2$波形对神经网络模型进行训练、验证和测试，即，质量比$q\leq8$和单个黑洞自旋$ | s^z_{\{1,\,2\}} | \leq 0.8$。使用这个神经网络模型，我们量化了在没有噪声的情况下，我们可以准确地推断出黑洞合并的天体物理参数。我们通过计算测试数据集中的波形与相应信号之间的重叠来做到这一点，这些信号的质量比和单个自旋由我们的神经网络预测。我们发现，收敛的高性能计算和物理启发的优化算法，使准确重建的质量比和个别自旋的二进制黑洞合并在考虑的参数空间。这是在实际探测场景中利用物理学启发的深度学习模型重建二元黑洞合并自旋分布的重要一步。
2020-08-25 astro-ph.IM cs.AI gr-qc
Interpretable AI forecasting for numerical relativity waveforms of quasi-circular, spinning, non-precessing binary black hole mergers
University of Illinois at Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）；Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）；University of Chicago（芝加哥大学）
我们提出了一个深度学习人工智能模型，能够学习和预测描述准圆形，旋转，非旋进二元黑洞合并的数值相对论波形的后期螺旋，合并和振铃。我们使用的NRHybSur3dq8代理模型产生训练，验证和测试集的$\ell=|m|=2$波形，覆盖参数空间的二进制黑洞合并与质量比$q\leq8$和个人自旋$|s^z_{\{1,2\}}| \leq 0.8$。这些波形覆盖时间范围$t\in[-5000\textrm{M}, 130\textrm{M}]$，其中$t=0M$标记合并事件，定义为波形幅度的最大值。我们利用阿贡领导力计算设施的ThetaGPU超级计算机，使用150万个波形的训练集来训练我们的AI模型。我们使用了16个NVIDIA DGX A100节点，每个节点由8个NVIDIA A100 Tensor Core GPU和2个AMD Rome CPU组成，在3.5小时内完全训练了我们的模型。我们的研究结果表明，人工智能可以准确地预测数值相对论波形的动态演化的时间范围$t\in[-100\textrm{M}, 130\textrm{M}]$。对190，000个波形的测试集进行采样，我们发现目标波形和预测波形之间的平均重叠在所考虑的整个参数空间上为$\gtrsim99\%$。我们还将科学可视化和加速计算相结合，以确定我们模型的哪些组件从早期和晚期波形演变中获取知识，以准确预测数值相对论波形的后期部分。…
2022-01-17 astro-ph.IM cs.AI gr-qc
Nonspinning searches for spinning binaries in ground-based detector data: Amplitude and mismatch predictions in the constant precession cone approximation
目前通过地面引力波探测器进行的紧密双星合并搜索，为了简单起见，假设两个天体不旋转。如果双星包含具有显著自旋的致密物体，那么这可以降低这些搜索的灵敏度，特别是对于黑洞-中子星双星。在本文中，我们调查的影响，忽略岁差的灵敏度搜索自旋二进制使用非自旋波形模型。我们证明了在AdvancedLIGO的敏感波段，双星的轨道角动量和它的总角动量之间的夹角近似为常数。在这种\emph{constant precession cone}近似下，我们发现引力波相位以两种方式调制：由于岁差而导致的引力波相位的长期增加和围绕长期增加的振荡。我们表明，这种长期的演变发生在三个方面，对应于物理上不同的明显的演变的二进制的岁差的视线。我们估计了\emph{any}非旋进模板模型和单个旋进信号之间的最佳可能拟合因子，在恒定旋进锥的限制下。我们的封闭形式的拟合因子的估计只依赖于带内进动锥的几何形状，它不显着依赖于二进制参数，检测器响应，或任何信号模型的细节。进动黑洞-中子星波形最不准确匹配的nonspinning波形对应于观察几何形状的进动锥扫描轨道平面反复跨越视线，在一个不利的偏振对齐。
2012-07-17 astro-ph.CO gr-qc
Spinning particles in de Sitter spacetime
本文研究了常正曲率德西特时空中自旋试验体的多极运动方程。在Frenkel和Tulczyjew的两个补充条件下讨论了自旋粒子的动力学。此外，借助德西特时空中的10个基灵矢量，4-动量和自旋可以用时空坐标明确表示。
2012-01-10 astro-ph.HE gr-qc hep-th
From spinning to non-spinning cosmic string spacetimes
我们分析的性质，产生一个旋转的宇宙弦时空与平面极限情况下，对应于一个恒定的角动量在无限的过去和静态配置在无限的未来流体。本文讨论了自旋宇宙弦由于粒子辐射而引起的角动量的自发损失。计算了自旋和非自旋宇宙弦时空之间的粒子产生率。
1999-07-31 gr-qc
Gravitational Particle Production in Spinning Cosmic String Spacetimes
本文讨论了自旋宇宙弦由于粒子辐射而引起的角动量的自发损失。计算了两个渐近时空之间的粒子产生率：无限过去的自旋宇宙弦时空和无限未来的非自旋宇宙弦时空。
1997-05-19 gr-qc
A Ray-Tracing Algorithm for Spinning Compact Object Spacetimes with Arbitrary Quadrupole Moments. I. Quasi-Kerr Black Holes
我们描述了一个新的数值算法的射线追踪的外部时空的旋转致密物体的特点是任意四极矩。这样的时空描述了非克尔真空解，可以用来检验无毛定理，并结合对吸积黑洞的观测。它们也适用于自旋频率在300-600 Hz范围内的中子星，这是低质量X射线双星中典型的爆发源。我们用我们的算法表明，允许时空的四极矩采取任意值导致可观察到的影响，在相对论性增宽荧光铁线的轮廓从几何薄吸积盘。
2010-11-17 astro-ph.HE gr-qc
Boost-rotation symmetric vacuum spacetimes with spinning sources
研究了具有自旋源的升转对称真空时空，它对应于匀加速自旋“粒子”的引力场。正则性条件和渐近性质进行了分析。通过将一般的自旋助推旋转对称真空度规变换到Bondi-Sachs坐标，导出了新闻函数。
2001-07-20 gr-qc
Toward General-Relativistic Magnetohydrodynamics Simulations in Stationary Non-Vacuum Spacetimes
本研究提出一大类稳态轴对称旋转度规的视界穿透形式，突破了此前仅克尔、克尔-纽曼度规可用的限制，可支撑广义相对论及非广义相对论框架下多种旋转致密天体的GRMHD吸积模拟。
2024-03-06 astro-ph.GA astro-ph.HE gr-qc
Prototype effective-one-body model for nonprecessing spinning inspiral-merger-ringdown waveforms
我们首先利用5个非旋进和2个轻度旋进（chi_i \simeq-0.44，+0.44）的黑洞双星数值相对论波形，标定了非旋进旋转双星的有效单体（EOB）模型，特别是它的动力学和主导的（2，2）引力波模式。然后，我们将上述结果与Teukolsky方程产生的小质量比模拟的最新结果相结合，并建立了一个用于检测目的的原型EOB模型，该模型能够为具有任何质量比和单个黑洞自旋的非旋进自旋黑洞双星产生吸气合并振铃波形。我们将原型EOB模型与自旋chi_i =-0.95，+0.97的两个等质量高自旋黑洞的数值相对论波形进行比较，这两个波形在EOB模型校准时是不可用的。在Advanced LIGO的情况下，我们发现对于总质量为20-200 M_（\odot）的样品，原型EOB波形和数值相对论波形之间的失配总是小于0.003，失配仅通过在初始相位和时间上最大化来计算。为了成功地生成单个黑洞自旋chi_i \gtrsim 0.7的合并波形，原型EOB模型需要通过以下方式进行改进：（i）更好地模拟坍缩动力学;（ii）在引力波模式和辐射-反作用力中包括高阶PN自旋项。
2012-08-21 gr-qc
AI ensemble for signal detection of higher order gravitational wave modes of quasi-circular, spinning, non-precessing binary black hole mergers
Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）；University of Illinois at Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）；The University of Chicago（芝加哥大学）
本文提出由时空图分类器与迁移学习质量预测器组成的AI集成，利用多探测器数据搜索双黑洞更高阶引力波模式，实现最先进精度且每年仅2次误分类。
2023-12-04 astro-ph.IM cs.AI gr-qc
Spacetime Warps for Spinning Particles Possible?
通过将自旋粒子纳入经典广义相对论的框架，该理论在一定程度上发生了变化，因为尽管使用了完整坐标，连接变得不对称。这意味着，偏导数不再对易。因此，所考虑的函数类必须扩展。非最小扩展导致旋转粒子时空扭曲的可能性。
2002-01-04 gr-qc
Spinning particles in gravitational wave spacetime
研究了具有一般极化简谐剖面的引力平面波时空中自旋粒子的赝经典动力学。所得的运动方程精确求解，并与其他方法的结果进行了比较。还计算了附近粒子的相对加速度。
2002-08-25 gr-qc
NuRIA: Numerical Relativity Injection Analysis of spinning binary black hole signals in Advanced LIGO data
引力波（GW）天文学的出现为我们提供了比X射线天文学已知的质量更大的黑洞的观测结果。然而，对中等质量黑洞（IMBH）的观测仍然是一个巨大的挑战。在他们的第二次观测运行之后，LIGO \& Virgo Scientific collaborations（LVC）对非旋进IMBH双星（IMBHB）的合并率密度设定了上限。在这篇文章中，我们探讨了LVC使用的两个搜索管道的灵敏度，从69个数值模拟的IMBHB与通用自旋的信号，其中27个有一个旋进轨道平面。特别是，我们比较匹配滤波器搜索PyCBC，和相干的模型无关的搜索技术cWB。我们发现，在一般情况下，cWB是更敏感的IMBHB比PyCBC，其差异取决于质量和旋转的源。因此，我们使用cWB将第一个上限的合并率的通用旋转IMBH二进制使用公开的数据从第一个先进的LIGO观测运行。
2020-08-22 astro-ph.CO astro-ph.IM gr-qc
Characterizing geodesic deviations in a Topological Star spacetime: massive, charged, spinning and stringy-like objects
本研究分析拓扑恒星时空中多种粒子及弦探针的测地线偏离现象，对比施瓦西时空的差异，并构建统一描述框架。
2025-05-19 gr-qc
Stationary Spinning Strings and Symmetries of Classical Spacetimes
我们探讨了经典的静态时空的对称性的动力学描述的世界片超对称作用的自旋弦。我们表明，对于弦的静态配置，作用减少到一个伪经典的自旋点粒子在一个有效的空间，这是一个共形标度的商空间的原始时空。作为一个例子，我们考虑Kerr-Newman时空中的静止自旋弦，它的运动等价于三维有效空间中自旋点粒子的运动。我们提出了这个空间的Killing张量以及自旋值Killing向量。然而，对应于Kerr-Newman时空的Killing-Yano张量的非类属超对称性在有效空间中丢失了。
2009-02-02 gr-qc hep-th
Geodesic Motion in the Singly Spinning Black Ring Spacetime
我们给出了特殊情况下五维单自旋黑环时空中测试粒子和光的测地线方程的解析解，因为一般情况下单自旋黑环的Hamilton-Jacobi方程是不可能分离的。在研究运动方程中多项式的基础上，我们刻画了试验粒子和光的运动，并讨论了相应的轨道。
2012-12-04 gr-qc
Spinning gauged boson stars in anti-de Sitter spacetime
研究了3+1维渐近AdS时空中描述自旋规范玻色子星的Einstein-Maxwell-Klein-Gordon方程的轴对称解。这些光滑的无视界解具有一个电荷和一个磁偶极矩，它们的角动量与电荷的电荷成正比。研究了一类特殊的自相互作用标量场解，它对应于具有非零磁偶极矩的静态轴对称孤子。
2013-10-21 gr-qc
Geodesic Motion in the (Charged) Doubly Spinning Black Ring Spacetime
在这篇文章中，我们分析了测试粒子和光在五维（带电）双自旋黑环时空中的测地线。显然，这是不可能的，以单独的哈密顿-雅可比方程（带电）双自旋的黑环一般，所以我们集中在特殊情况下：零测地线在能层和测地线的两个旋转轴的（带电）双自旋的黑环。我们提出了这些特殊情况下的测地线方程的解析解。利用有效势方法，我们研究了实验粒子和光的运动，并讨论了相应的轨道。
2012-12-03 gr-qc
Chaotic orbits for spinning particles in Schwarzschild spacetime
我们考虑史瓦西时空中具有自旋的粒子的轨道。使用旋转粒子的Papapetrou-Dixon运动方程，我们解决了轨道，并专注于那些表现出混沌使用庞加莱映射和李雅普诺夫指数。特别地，我们发展了一种比较混沌轨道的李雅普诺夫指数的方法。我们发现了比以前认为的更小的自旋值的混沌轨道，并且自旋可以在天体物理学上实现。
2010-07-10 gr-qc
A Ray-Tracing Algorithm for Spinning Compact Object Spacetimes with Arbitrary Quadrupole Moments. II. Neutron Stars
一颗适度旋转的中子星获得一个扁圆的形状和一个具有显著四极矩的时空。这两个性质影响它的表观面积为观察者在无穷远，以及光变曲线所产生的热点在其表面上。本文利用Hartle-Thorne度规发展了一种计算中等自旋中子星表面积的射线追迹算法。这个解析度规使我们能够计算中子星的各种可观测量，这种方法只依赖于它的宏观性质，而不依赖于它的状态方程的细节。我们使用这种算法来计算表观表面积的变化，这可能会在中子星半径的测量中发挥作用，因此，在约束他们的状态方程。我们表明，无论是旋转的中子星出现大于或小于其非旋转的对应主要取决于它的赤道半径。对于半径约为10 km的中子星，对史瓦西时空的修正导致表面积随自旋频率增加。相反，对于半径约15 km的中子星，恒星的扁率主导时空修正，并导致表面积随自旋频率的增加而减小。在所有情况下，在观测到的自旋频率范围内，表观几何表面积的变化< 5%，因此在中子星半径的测量中只有很小的误差来源。
2012-07-18 astro-ph.HE gr-qc
Simulations of black-hole binaries with unequal masses or non-precessing spins: accuracy, physical properties, and comparison with post-Newtonian results
我们提出的引力波形的最后轨道和合并的黑洞-二进制（BBH）系统沿两个分支的BBH参数空间：等质量的二进制与平等的非旋进自旋，和nonspinning不等质量的二进制。波形计算从爱因斯坦方程的数值解的黑洞二进制完成之间的6和10轨道合并之前。沿等质量自旋分支，每个BH的自旋参数为$χ_i = S_i/M_i^2 \in [-0.85,0.85]$，沿不等质量分支，质量比为$q =M_2/M_1 \in [1,4]$。我们讨论了这些情况下的低偏心率穿刺初始数据的建设，最终合并BH的属性，并比较了最后8-10 GW周期高达$Mω= 0.1$的相位和振幅预测的标准后牛顿（PN）近似。在以前的研究中，我们发现，从3.5PN泰勒T4近似的相位是最准确的nonspinning二进制。对于等质量的自旋双星，3.5PN泰勒T1近似（包括自旋项，最多只有2.5PN阶）给出了最稳健的性能，但也可以以这样一种方式处理泰勒T4，即它给出了自旋$χ_i > -0.75$的最佳精度。当包括高阶振幅校正时，$(\ell=2,m=\pm2)$模式的PN振幅比NR振幅大2- 4%。
2010-11-15 gr-qc
Gravitational self-force corrections to tidal invariants for spinning particles on circular orbits in a Schwarzschild spacetime
我们计算引力自作用力修正的潮汐不变量的自旋粒子沿圆形轨道在史瓦西时空。特别地，我们考虑了重电四极潮汐张量的平方和立方以及重磁四极潮汐张量的平方。我们的结果是准确的一阶自旋和通过9.5后牛顿秩序。我们还计算了相关的电型和磁型本征值。
2018-06-09 gr-qc
Matching post-Newtonian and numerical relativity waveforms: systematic errors and a new phenomenological model for non-precessing black hole binaries
提出了一个新的非旋进自旋黑洞双星的旋进和并合唯象引力波形模型。我们的方法是基于后牛顿inspiral波形与基于数值相对论的二元黑洞合并波形的频域匹配。我们量化的各种可能的来源，出现在匹配后牛顿和数值相对论波形的系统误差，我们使用的匹配标准的基础上尽量减少这些错误，我们发现，主要的错误来源是那些在合并附近的后牛顿波形。给出了非进动黑洞双星引力辐射主模的解析公式，该公式描述了混合波形的现象。在当前的引力波搜索中实施它应该允许交叉检查其他吸气合并振铃波形族，并提高引力波搜索的范围。
2010-08-03 gr-qc
Spinning test particles in Weyl spacetimes
本文讨论了外尔类静态真空时空中自旋试验粒子沿圆轨道的运动。本文详细研究了叠加Weyl场情况下，对应于单个Schwarzschild黑洞和单个Chazy-Curzon粒子以及两个Schwarzschild黑洞和两个Chazy-Curzon粒子的自旋排列和与背景参数的耦合，给出了标准的补充条件选择.应用重力磁“时钟效应”也进行了讨论。
2014-08-19 gr-qc
Spinning C-metric: radiative spacetime with accelerating, rotating black holes
旋转C度规是由普列班斯基和德米安斯基发现的，作为标准C度规的推广，标准C度规被认为是均匀加速的非旋转黑洞。我们首先将旋转C-度量变换为Weyl坐标，并分析了它的一些性质，如Killing向量和曲率不变量。一个变换，然后发现，使度规的标准形式的辐射时空的助推旋转对称性。通过分析继续度规跨越“加速视界”，两个新的时空区域出现，其中两个Killing矢量都是类空的。我们表明，这个度量可以表示两个均匀加速，旋转的黑洞，连接的圆锥形奇点，或圆锥形奇点从他们每个人延伸到无穷大。简要讨论了度规的辐射特性。
1999-02-23 gr-qc
Motion of spinning test bodies in Kerr spacetime
本文研究了广义相对论中自旋物体的运动。本文用多极近似方法导出了扩展试验体的运动方程，并对极-偶极试验体在Kerr几何赤道面上的轨道运动进行了分类。本文给出了自旋试验体近星点位移的精确表达式。研究了试验体自旋修正的影响，并与其它近似方案的结果进行了比较。
2014-09-23 gr-qc
Spinning scalar solitons in anti-de Sitter spacetime
我们提出了四维反德西特时空中的旋转Q球和玻色子星。这些是光滑的，无水平线的解决方案，重力耦合到一个大规模的复杂的标量场与谐波依赖于时间和方位角。与平坦时空组态相似，角动量也是量子化的。我们发现，一类具有自相互作用势的解有一个极限，对应于只有轴对称的静态孤子。一个精确的解决方案描述球对称Q球在一个固定的AdS背景进行了讨论。
2012-07-16 gr-qc hep-th
Innermost Stable Circular Orbit of a Spinning Particle in Kerr Spacetime
研究了Kerr时空中自旋试验粒子圆轨道的稳定性。我们发现一些圆形轨道在垂直于赤道平面的方向上变得不稳定，尽管在径向上轨道仍然是稳定的。对于大自旋情形（$S < \sim O（1）），在赤道面有效势最小值消失之前，出现了最内层稳定圆轨道（ISCO）。这改变了ISCO的半径，然后改变了最后一个圆形轨道的频率。
1997-12-26 gr-qc
Georgia Tech Catalog of Gravitational Waveforms
本文介绍了佐治亚理工学院的数值相对论工作的模拟银行的重力波形的目录。目前，该目录包括来自600多个二元黑洞模拟的452个不同的波形：其中128个波形来自黑洞自旋与轨道角动量对齐的二元，324个来自进动二元黑洞系统。非旋转黑洞双星的波形具有质量比$q = m_1/m_2 \le 15$，旋进旋转黑洞双星的波形具有质量比$q \le 8$。波形在螺旋晚期、合并期间的爆发和最终黑洞的衰荡中扩展了中等数量的轨道。在目录中的波形匹配的例子对广泛使用的近似模型。此外，预测的质量和自旋的最终黑洞的唯象拟合测试对模拟银行的结果。讨论了星表在解释GW150914事件和未来LIGO大质量双星黑洞搜索中的作用。佐治亚理工学院的目录可在einstein.gatech.edu/catalog上公开获得。
2016-05-10 astro-ph.HE gr-qc
Constructing Gravitational Waves from Generic Spin-Precessing Compact Binary Inspirals
紧凑物体的合并是地面干涉探测器（如先进的LIGO和Virgo）最有希望的引力波源之一。一般来说，双星中的致密物体会以与轨道角动量不一致的自旋角动量旋转，导致轨道平面进动。这种岁差给引力波增加了丰富的结构，引入了如此复杂的解析封闭形式描述，直到现在还没有。在这里，我们构建了第一个封闭形式的频域重力波形，是有效的通用自旋进动准圆紧凑的二元螺旋。我们首先通过多尺度分析，通过求解后牛顿运动方程和辐射反应，构造了时域引力波。然后，我们对这些时域波形进行傅立叶变换，用移位一致渐近的方法得到频域波形的封闭形式的表达式。我们研究了这些分析，频域波形相对于通过数值演化后牛顿运动方程获得的波形的准确性，发现它们适用于我们在信噪比为10（25）时研究的99.2%（94.6%）的二元配置的无偏参数估计。这些新的频域波形可用于检测和参数估计的研究，由于其准确性和低计算成本。
2017-11-15 astro-ph.HE gr-qc
Bounding the number of spacetime dimensions from precessing black hole binaries with the third-generation gravitational-wave detectors
Zhejiang University of Technology（浙江工业大学）；Northeastern University（东北大学）
本文利用第三代引力波探测器观测预cession双黑洞并合事件，通过信息矩阵和暗哨方法限制额外维度的时空维度数量和屏蔽尺度。
2026-03-07 gr-qc
Massless spinning test particles in vacuum algebraically special spacetimes
在Mathisson-Papapetrou模型的基础上，利用Newman-Penrose形式，研究了无质量自旋试验粒子的运动，该模型由Mashhoon推广到无质量粒子，并辅以Pirani条件。当“多极约化世界线”位于代数特殊真空时空的主零方向时，运动方程可以显式积分。例子给出了一些熟悉的时空的这种类型的利益脱落一些光的后果，这个模型。
2006-08-04 gr-qc
Spinning Up Asymptotically Flat Spacetimes
我们提出了一种方法来构造爱因斯坦场方程的固定，渐近平坦，旋转的解决方案。其中一个自旋解有准局部质量，但没有全局质量。它有能层但没有事件视界。在能层之外的任何地方，角动量都是常数。这个解的能量-动量成分可以解释为旋转的弦流体。
2004-10-19 gr-qc
Charged spinning particles on circular orbits in the Reissner-Nordström spacetime
在Dixon-Souriau模型的框架下，研究了在Reissner-Nordström时空的赤道平面上沿圆形轨道运动的带电自旋试验粒子的行为，并选择了标准的补充条件。重力磁的“时钟效应”，即延迟的两个相反的循环粒子的到达时间测量的静态观察者，推导和讨论的情况下，在该粒子具有相等/相反的电荷和自旋，后者被定向沿$z$轴。
2014-08-19 gr-qc
