Papers
Topics
Authors
Recent
Search
2000 character limit reached

Improved frequency spectra of gravitational waves with memory in a binary-black-hole simulation

Published 10 May 2024 in gr-qc | (2405.06197v1)

Abstract: Numerical relativists can now produce gravitational waveforms with memory effects routinely and accurately. The gravitational-wave memory effect contains very low-frequency components, including a persistent offset. The presence of these components violates basic assumptions about time-shift behavior underpinning standard data-analysis techniques in gravitational-wave astronomy. This poses a challenge to the analysis of waveform spectra: How to preserve the low-frequency characteristics when transforming a time-domain waveform to the frequency domain. To tackle this challenge, we revisit the preprocessing procedures applied to the waveforms that contain memory effects. We find inconsistency between the zero-frequency limit of displacement memory and the low- frequency spectrum of the same memory preprocessed using the common scheme in literature. To resolve the inconsistency, we propose a new robust preprocessing scheme that produces the spectra of memory waveforms more faithfully. Using this new scheme, we inspect several characteristics of the spectrum of a memory waveform. In particular, we find a discernible beating pattern formed by the dominant oscillatory mode and the displacement memory. This pattern is absent in the spectrum of a waveform without memory. The difference between the memory and no-memory waveforms is too small to be observed by current-generation detectors in a single binary-black-hole event. Detecting the memory in a single event is likely to occur in the era of next-generation detectors.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (106)
  1. F. Pretorius, Phys. Rev. Lett. 95, 121101 (2005), arXiv:gr-qc/0507014 .
  2. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016a), arXiv:1602.03837 [gr-qc] .
  3. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. D 93, 122003 (2016b), arXiv:1602.03839 [gr-qc] .
  4. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 116, 131103 (2016c), arXiv:1602.03838 [gr-qc] .
  5. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 116, 241102 (2016d), arXiv:1602.03840 [gr-qc] .
  6. J. Aasi et al. (LIGO Scientific), Class. Quant. Grav. 32, 074001 (2015), arXiv:1411.4547 [gr-qc] .
  7. F. Acernese et al. (VIRGO), Class. Quant. Grav. 32, 024001 (2015), arXiv:1408.3978 [gr-qc] .
  8. T. Akutsu et al. (KAGRA), PTEP 2021, 05A101 (2021), arXiv:2005.05574 [physics.ins-det] .
  9. A. H. Mroue et al., Phys. Rev. Lett. 111, 241104 (2013), arXiv:1304.6077 [gr-qc] .
  10. G. Pratten et al., Phys. Rev. D 103, 104056 (2021), arXiv:2004.06503 [gr-qc] .
  11. S. Ossokine et al., Phys. Rev. D 102, 044055 (2020), arXiv:2004.09442 [gr-qc] .
  12. Y. B. Zel’dovich and A. G. Polnarev, Sov. Astron. 18, 17 (1974).
  13. E. B. Segalis and A. Ori, Phys. Rev. D 64, 064018 (2001), arXiv:gr-qc/0101117 .
  14. R. Epstein, Astrophys. J. 223, 1037 (1978).
  15. M. S. Turner, Nature 274, 565 (1978).
  16. L. Bieri and D. Garfinkle, Phys. Rev. D 89, 084039 (2014), arXiv:1312.6871 [gr-qc] .
  17. P. N. Payne, Phys. Rev. D 28, 1894 (1983).
  18. D. Christodoulou, Phys. Rev. Lett. 67, 1486 (1991).
  19. L. Blanchet and T. Damour, Phys. Rev. D 46, 4304 (1992).
  20. A. G. Wiseman and C. M. Will, Phys. Rev. D 44, R2945 (1991).
  21. K. S. Thorne, Phys. Rev. D 45, 520 (1992).
  22. S. Pasterski, A. Strominger, and A. Zhiboedov, JHEP 12, 053, arXiv:1502.06120 [hep-th] .
  23. D. A. Nichols, Phys. Rev. D 98, 064032 (2018), arXiv:1807.08767 [gr-qc] .
  24. A. M. Grant and D. A. Nichols, Phys. Rev. D 105, 024056 (2022), [Erratum: Phys.Rev.D 107, 109902 (2023)], arXiv:2109.03832 [gr-qc] .
  25. A. M. Grant and K. Mitman,   (2023), arXiv:2312.02295 [gr-qc] .
  26. H. Bondi, M. G. J. van der Burg, and A. W. K. Metzner, Proc. Roy. Soc. Lond. A 269, 21 (1962).
  27. R. Sachs, Phys. Rev. 128, 2851 (1962a).
  28. R. K. Sachs, Proc. Roy. Soc. Lond. A 270, 103 (1962b).
  29. E. T. Newman and R. Penrose, J. Math. Phys. 7, 863 (1966).
  30. A. Strominger and A. Zhiboedov, JHEP 01, 086, arXiv:1411.5745 [hep-th] .
  31. E. E. Flanagan and D. A. Nichols, Phys. Rev. D 95, 044002 (2017), [Erratum: Phys.Rev.D 108, 069902 (2023)], arXiv:1510.03386 [hep-th] .
  32. T. Banks,   (2003), arXiv:hep-th/0306074 .
  33. G. Barnich and C. Troessaert, Phys. Rev. Lett. 105, 111103 (2010a), arXiv:0909.2617 [gr-qc] .
  34. G. Barnich and C. Troessaert, JHEP 05, 062, arXiv:1001.1541 [hep-th] .
  35. G. Barnich and C. Troessaert, PoS CNCFG2010, 010 (2010c), arXiv:1102.4632 [gr-qc] .
  36. G. Barnich and C. Troessaert, JHEP 12, 105, arXiv:1106.0213 [hep-th] .
  37. M. Campiglia and A. Laddha, Phys. Rev. D 90, 124028 (2014), arXiv:1408.2228 [hep-th] .
  38. M. Campiglia and A. Laddha, JHEP 04, 076, arXiv:1502.02318 [hep-th] .
  39. S. W. Hawking, M. J. Perry, and A. Strominger, JHEP 05, 161, arXiv:1611.09175 [hep-th] .
  40. R. M. Wald and A. Zoupas, Phys. Rev. D 61, 084027 (2000), arXiv:gr-qc/9911095 .
  41. A. M. Grant and D. A. Nichols, Phys. Rev. D 107, 064056 (2023), [Erratum: Phys.Rev.D 108, 029901 (2023)], arXiv:2210.16266 [gr-qc] .
  42. M. Hübner, P. Lasky, and E. Thrane, Phys. Rev. D 104, 023004 (2021), arXiv:2105.02879 [gr-qc] .
  43. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. X 9, 031040 (2019), arXiv:1811.12907 [astro-ph.HE] .
  44. R. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. X 11, 021053 (2021), arXiv:2010.14527 [gr-qc] .
  45. D. Reitze et al., Bull. Am. Astron. Soc. 51, 035 (2019), arXiv:1907.04833 [astro-ph.IM] .
  46. M. Punturo et al., Class. Quant. Grav. 27, 194002 (2010).
  47. P. Amaro-Seoane et al. (LISA),   (2017), arXiv:1702.00786 [astro-ph.IM] .
  48. M. Favata, Astrophys. J. Lett. 696, L159 (2009a), arXiv:0902.3660 [astro-ph.SR] .
  49. O. M. Boersma, D. A. Nichols, and P. Schmidt, Phys. Rev. D 101, 083026 (2020), arXiv:2002.01821 [astro-ph.HE] .
  50. C. S. Unnikrishnan, Int. J. Mod. Phys. D 22, 1341010 (2013), arXiv:1510.06059 [physics.ins-det] .
  51. D. A. Nichols, Phys. Rev. D 95, 084048 (2017), arXiv:1702.03300 [gr-qc] .
  52. M. Favata, Phys. Rev. D 80, 024002 (2009b), arXiv:0812.0069 [gr-qc] .
  53. M. Favata, Phys. Rev. D 84, 124013 (2011), arXiv:1108.3121 [gr-qc] .
  54. L. Blanchet, Living Rev. Rel. 17, 2 (2014), arXiv:1310.1528 [gr-qc] .
  55. K. Mitman et al., Phys. Rev. D 103, 024031 (2021a), arXiv:2011.01309 [gr-qc] .
  56. M. Favata, J. Phys. Conf. Ser. 154, 012043 (2009c), arXiv:0811.3451 [astro-ph] .
  57. M. Favata, Class. Quant. Grav. 27, 084036 (2010), arXiv:1003.3486 [gr-qc] .
  58. J. Yoo et al., Phys. Rev. D 108, 064027 (2023), arXiv:2306.03148 [gr-qc] .
  59. http://www.black-holes.org/SpEC.html.
  60. M. Boyle, Phys. Rev. D 87, 104006 (2013), arXiv:1302.2919 [gr-qc] .
  61. M. Boyle, Phys. Rev. D 93, 084031 (2016), arXiv:1509.00862 [gr-qc] .
  62. M. Boyle et al., Class. Quant. Grav. 36, 195006 (2019), arXiv:1904.04831 [gr-qc] .
  63. D. Pollney and C. Reisswig, Astrophys. J. Lett. 732, L13 (2011), arXiv:1004.4209 [gr-qc] .
  64. J. Winicour, Living Rev. Rel. 12, 3 (2009), arXiv:0810.1903 [gr-qc] .
  65. J. Winicour, Prog. Theor. Phys. Suppl. 136, 57 (1999), arXiv:gr-qc/9911106 .
  66. C. J. Handmer and B. Szilagyi, Class. Quant. Grav. 32, 025008 (2015), arXiv:1406.7029 [gr-qc] .
  67. K. Mitman et al., Phys. Rev. D 104, 024051 (2021b), arXiv:2105.02300 [gr-qc] .
  68. K. Mitman et al., Phys. Rev. D 106, 084029 (2022), arXiv:2208.04356 [gr-qc] .
  69. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Class. Quant. Grav. 37, 055002 (2020), arXiv:1908.11170 [gr-qc] .
  70. J. W. Cooley and J. W. Tukey, Math. Comput. 19, 297 (1965).
  71. F. J. Harris (1978).
  72. L. Smarr, Phys. Rev. D 15, 2069 (1977).
  73. G. B. Cook and M. A. Scheel, Phys. Rev. D 56, 4775 (1997).
  74. V. Varma, M. A. Scheel, and H. P. Pfeiffer, Phys. Rev. D 98, 104011 (2018), arXiv:1808.08228 [gr-qc] .
  75. J. Moxon, M. A. Scheel, and S. A. Teukolsky, Phys. Rev. D 102, 044052 (2020), arXiv:2007.01339 [gr-qc] .
  76. L. Magaña Zertuche et al., Phys. Rev. D 105, 104015 (2022), arXiv:2110.15922 [gr-qc] .
  77. M. Boyle and M. A. Scheel, sxs (v2022.4.5) (2023).
  78. L. E. Kidder, Phys. Rev. D 77, 044016 (2008), arXiv:0710.0614 [gr-qc] .
  79. I. Hinder, L. E. Kidder, and H. P. Pfeiffer, Phys. Rev. D 98, 044015 (2018), arXiv:1709.02007 [gr-qc] .
  80. J. O. Smith, Mathematics of the discrete fourier transform (dft), https://ccrma.stanford.edu/~jos/mdft/Zero_Padding_Theorem_Spectral.html.
  81. S. Engelberg, Fourier analysis and the discrete fourier transform, in Digital Signal Processing: An Experimental Approach (Springer, London, 2008) pp. 29–43.
  82. S. A. Teukolsky, Phys. Rev. Lett. 29, 1114 (1972).
  83. S. A. Teukolsky, Astrophys. J. 185, 635 (1973).
  84. W. H. Press and S. A. Teukolsky, Astrophys. J. 185, 649 (1973).
  85. S. A. Teukolsky and W. H. Press, Astrophys. J. 193, 443 (1974).
  86. G. D’Antona and A. Ferrero, Digital Signal Processing for Measurement Systems: Theory and Applications (Springer US, Boston, MA, 2006) DOI: 10.1007/0-387-28666-7.
  87. D. J. A. McKechan, C. Robinson, and B. S. Sathyaprakash, Class. Quant. Grav. 27, 084020 (2010), arXiv:1003.2939 [gr-qc] .
  88. J. Gallier and J. Quaintance, Partitions of unity and covering maps, in Differential Geometry and Lie Groups: A Computational Perspective (Springer, Cham, 2020) pp. 325–343.
  89. L. W. Tu, Bump functions and partitions of unity, in An Introduction to Manifolds (Springer, New York, 2008) pp. 127–134.
  90. P. Virtanen et al., Nature Meth. 17, 261 (2020), arXiv:1907.10121 [cs.MS] .
  91. T. M. Inc., Matlab (r2023b) (2023).
  92. L. S. Finn, Phys. Rev. D 46, 5236 (1992), arXiv:gr-qc/9209010 .
  93. T. Robson, N. J. Cornish, and C. Liu, Class. Quant. Grav. 36, 105011 (2019), arXiv:1803.01944 [astro-ph.HE] .
  94. B. S. Sathyaprakash and B. F. Schutz, Living Rev. Rel. 12, 2 (2009), arXiv:0903.0338 [gr-qc] .
  95. R. Essick, S. Vitale, and M. Evans, Phys. Rev. D 96, 084004 (2017), arXiv:1708.06843 [gr-qc] .
  96. Ligo sensitivity (190 mpc) (used for o4 simulations), https://dcc.ligo.org/public/0165/T2000012/002/aligo_O4high.txt (2022).
  97. Cosmic explorer strain sensitivity, https://dcc.cosmicexplorer.org/public/0163/T2000017/005/ce_strain.zip (2022).
  98. M. Boyle, D. A. Brown, and L. Pekowsky, Class. Quant. Grav. 26, 114006 (2009), arXiv:0901.1628 [gr-qc] .
  99. S. F. Portegies Zwart and S. L. W. McMillan, Astrophys. J. 576, 899 (2002), arXiv:astro-ph/0201055 .
  100. E. Berti, Class. Quant. Grav. 23, S785 (2006), arXiv:astro-ph/0602470 .
  101. A. L. Erickcek, M. Kamionkowski, and A. J. Benson, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 371, 1992 (2006), arXiv:astro-ph/0604281 .
  102. L. Barack et al., Class. Quant. Grav. 36, 143001 (2019), arXiv:1806.05195 [gr-qc] .
  103. R. Abbott et al. (LIGO Scientific, VIRGO), Phys. Rev. D 109, 022001 (2024), arXiv:2108.01045 [gr-qc] .
  104. E. Thrane and C. Talbot, Publ. Astron. Soc. Austral. 36, e010 (2019), [Erratum: Publ.Astron.Soc.Austral. 37, e036 (2020)], arXiv:1809.02293 [astro-ph.IM] .
  105. G. Ashton et al., Astrophys. J. Suppl. 241, 27 (2019), arXiv:1811.02042 [astro-ph.IM] .
  106. E. Payne, C. Talbot, and E. Thrane, Phys. Rev. D 100, 123017 (2019), arXiv:1905.05477 [astro-ph.IM] .
Citations (3)
View on Semantic Scholar

Summary

No one has generated a summary of this paper yet.

Sign Up to Summarize

Paper to Video (Beta)

No one has generated a video about this paper yet.

Sign Up to Generate All Videos Subscribe on YouTube

Whiteboard

No one has generated a whiteboard explanation for this paper yet.

Sign Up to Generate

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Generate Now

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Generate Now

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

Sign Up

Tweets

Sign up for free to view the 1 tweet with 4 likes about this paper.

Sign Up for Free