[論文レビュー] Are the observed black hole mergers spins consistent with field binary progenitors?

Kenta Hotekezaka, Tsvi Piran|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 7被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、二重ブラックホール合体からの重力波イベントで観測された低効用スピン値が、ウォルフ・レーティン星を含むフィールド二重星進化シナリオと整合するかどうかを調査する。標準的なフィールド二重星モデルでは高いスピンを持つ合体の大部分が予測されるが、共通エンvelope進化と星風の不確実性が低スピンの結果を生じさせ得る。したがって、現在の観測ではフィールド二重星形成を排除するには不十分であり、期待との矛盾は残るが。

ABSTRACT

One of the puzzles in the recent observations of gravitational waves from binary black hole mergers is the observed low (projected) spins of the progenitor black holes. In two of the four events, GW150914, and the recent GW170104, the observed spins are most likely negative (but consistent with zero). In the third case LVT151012 it is practically zero and only in the forth case, GW151226, the spin is positive but low. These observations are puzzling within the field binary scenario in which positive higher spins are expected. Considering the most favorable Wolfe Rayet (WR) progenitors we estimate the expected spin distribution for different evolution scenarios and compare it to the observations. With typical parameters one expects a significant fraction ($\ge 25\%$) of the mergers to have high effective spin values. However due to uncertainties in the outcome of the common envelope phase (typical separation and whether the stars are rotating or not) and in the late stages of massive star evolution (the strength of the winds) one cannot rule our scenarios in which the expected spins are low. While observations of high effective spin events will support this scenario, further observations of negative spin events would rule it out.

研究の動機と目的

• LIGO/Virgo による二重ブラックホール合体で観測された低効用スピンが、標準的なフィールド二重星進化モデルと矛盾しているかどうかを評価すること。
• 潮汐同期化、共通エンvelope進化、星風による質量損失が最終的なブラックホールスピン分布に与える影響を評価すること。
• 実際の低スピンイベントが、妥当な天体物理学的不確実性のもとでフィールド二重星の前身星から生じうるかどうかを特定すること。
• フィールド二重星モデルが観測されたスピンの緊張と対立する状況下でも、どのような条件下で依然として妥当であるかを同定すること。

提案手法

• 合体までの時定数式を用いて、Hubble時間以内に合体する二重ブラックホールが要する初期半長径を推定する。
• 潮汐ロックが同期化をもたらすと仮定し、ブラックホール形成時の前身星のスピンパラメータを計算する。
• 共通エンvelope段階中の前身星質量、軌道分離、スピン進化を関数として効用スピンパラメータ $\chi_{\rm eff}$ をモデル化する。
• 観測されたウォルフ・レーティン星に一致する星風レートを用いて、角運動量の除去に及ぼす星風質量損失の影響を評価する。
• GW150914、GW151226、LVT151012、GW170104 からの観測値と比較して、異なる形成シナリオ（例えば、定常、SFR、LGRB駆動レート）における予測された $\chi_{\rm eff}$ 分布を評価する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、共通エンvelopeの結果や風の強度に関する仮定を変化させた場合のスピン分布を生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重ブラックホール合体における観測された低効用スピンは、標準的なフィールド二重星進化モデルと矛盾しているか？
• RQ2 共通エンvelope進化と星風質量損失の不確実性が、フィールド二重星シナリオにおける低観測スピンを説明できるか？
• RQ3 同期化された前身星を有する最も有利なフィールド二重星モデルにおいて、何パーセントの合体が高効用スピン（$>0.4$）を示すべきか？
• RQ4 異なる形成レート仮定（例えば、SFR、LGRB、定常）が予測される $\chi_{\rm eff}$ 分布に与える影響は何か？
• RQ5 最終ブラックホールスピンが低く観測された場合、フィールド二重星モデルは依然として妥当であるか？

主な発見

• 標準的なフィールド二重星モデルでは、両方の前身星が同期化されている場合、少なくとも25％の合体が高効用スピン（$>0.4$）を示すと予測される。
• ファジアルパラメータでさえも、観測されたスピン分布はフィールド二重星の期待と矛盾しているが、統計的不確実性のため、明確に除外することはできない。
• 強いか中程度の星風（例：$\sim10^{-4.5} M_\odot/\text{yr}$）は最終スピンを低下させ、特に共通エンvelope段階後に回転しない前身星に対して、モデルと観測を一致させる。
• より長い最小時間遅れ（初期分離が大きい）は役立つが、単独では低スピンの結果を生じさせることはできず、風の効果が整合性を保つために不可欠である。
• 観測された $\chi_{\rm eff}$ 値は、星風質量損失と共通エンvelopeの結果に不確実性がある場合、いくつかのフィールド二重星モデルと整合する。
• 負の $\chi_{\rm eff}$ 値は、強い初期キックが関与しない限り、フィールド二重星進化と整合しにくい。これは、このようなイベントがこのシナリオを除外する可能性を示唆する。