[論文レビュー] Astrophysics of stellar black holes

Michela Mapelli|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 13

ひとこと要約

このレビューは、LIGO-Virgoによる最初の重力波検出、特に30 M⊙を超える質量をもつ合体ブラックホールの予期せぬ発見を踏まえ、星間ブラックホール形成および二重星進化に関する現在の天体物理学的モデルを統合的に検討する。このような質量の大きなブラックホールは、金属量が低く、星風が抑制された大質量星から形成される可能性が高く、孤立した二重星進化および密度の高い星集団における動的集合といった形成経路を検討するが、超新星爆発の物理学および共通エンvelope段階における未解決の不確実性にも言及する。

ABSTRACT

On September 14 2015, the LIGO interferometers captured a gravitational wave (GW) signal from two merging black holes (BHs), opening the era of GW astrophysics. Five BH mergers have been reported so far, three of them involving massive BHs ($\gtrsim{}30$ M$_\odot$). According to stellar evolution models, such massive BHs can originate from massive, relatively metal-poor stars. The formation channels of merging BH binaries are still an open question: a plethora of uncertainties affect the evolution of massive stellar binaries (e.g. the process of common envelope) and their dynamics. This review aims to discuss the open questions about BH binaries, and to present the state-of-the-art knowledge about the astrophysics of BHs to non-specialists, in light of the first LIGO-Virgo detections.

研究の動機と目的

• LIGO-Virgoの重力波イベントで予期せず観測された質量が30 M⊙を超える星間ブラックホールの天体物理学的起源を解明すること。
• 孤立した二重星進化および高密度星集団における動的集合といった、二重ブラックホール合体の形成経路の妥当性を評価すること。
• 金属量が低い環境が星風の損失を抑制することで、大質量ブラックホールの形成を可能にする役割を評価すること。
• 共通エンvelope段階や超新星爆発のメカニズムにおける不確実性が、ブラックホール質量関数の予測に与える影響を特定すること。
• 最初の直接的な重力波検出に基づいて、非専門家向けに包括的かつ理解しやすいブラックホール天体物理学の概要を提供すること。

提案手法

• 重力波データの分析：5つの確認済み二重ブラックホール合体（GW150914, GW151226, GW170104, GW170608, GW170814）および1つの候補（LVT151012）を用い、質量、スピン、距離の事後分布を用いる。
• 観測されたブラックホール質量を、初期質量と金属量に依存する星の進化理論モデルと比較する。
• 宇宙的進化における二重ブラックホール合体率および宿主銀河の性質を追跡するため、人口合成モデルと宇宙論的シミュレーション（例：GAMESH、ミレニアム-II N体シミュレーションに半解析的バリオンモデルを組み合わせたもの）を用いる。
• 高解像度および大スケールのシミュレーションを用いて、金属量が低い矮星銀河および大質量銀河における形成経路を評価し、環境依存性を検討する。
• 重力波信号から二重星パラメータを推定するために、チープ質量の式 $ m_{\text{chirp}} = m_1^{3/5} m_2^{3/5} (m_1 + m_2)^{-1/5} $ を適用する。
• 前身星の整列状態と合体のダイナミクスを診断するため、有効スピン $ \chi_{\text{eff}} $ および最終ブラックホールスピン $ S_{\text{fin}} $ を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LIGO-Virgo検出で観測されたように、質量が30 M⊙を超える星間ブラックホールを形成するための天体物理学的条件は何か？
• RQ2 質量の大きな二重ブラックホールを生成する可能性が高いのは、孤立した二重星進化か、高密度クラスタでの動的集合のどちらか？
• RQ3 低金属量環境が星風による質量損失を抑制することで、星間ブラックホールの質量関数にどのように影響を与えるか？
• RQ4 共通エンvelope進化および超新星爆発メカニズムにおける不確実性が、二重ブラックホール合体率の予測に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 合体する二重ブラックホールの予想される宿主銀河の性質（例：星の質量、赤方偏移）は何か？また、形成経路によってその性質はどのように変化するか？

主な発見

• 確認済みの5つの二重ブラックホール合体のうち3つ（GW150914, GW170104, GW170814）は、30 M⊙を超える質量のブラックホールを含んでおり、X線連星観測に基づく従来の理論的期待をくつがえすものであった。
• 質量が30 M⊙を超える星間ブラックホールは、金属量が低く星風が抑制された大質量星から形成されるのが最も妥当であり、高い最終コア質量が直接ブラックホールへと崩壊する。
• シミュレーションの結果、GW150914に類似したイベントは主に低質量・低金属量の矮星銀河から発生しており、こうした環境が大質量二重ブラックホール形成の主要な場所である可能性を示唆している。
• 低赤方偏移（z ≲ 0.3）の合体では、半解析的モデリングにより、二重ブラックホールは星の質量が2×10¹⁰ M⊙を超える大質量銀河に存在する可能性が高く、宿主銀河の二峰性分布が顕著に現れる。
• 観測されたイベントの有効スピン $ \chi_{\text{eff}} $ 値はゼロと整合的であり、ブラックホールスピンが小さいか、またはスピン軸がずれていることを示唆しており、二重星進化における角運動量移動効率を制限する。
• LIGO-Virgoデータから推定された合体率密度は、低金属量環境で二重ブラックホール形成が促進されるモデルと整合的であるが、現在の星の進化物理学における不確実性のため、明確な結論は得られていない。