[論文レビュー] Binary Black Hole Formation and Mergings

К. А. Постнов, М. Е. Прохоров|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 1999

Black Holes and Theoretical Physics被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、質量が35 M⊙を超える巨大星の進化した星間モデルを用いて、二重ブラックホール（BH）の形成および合体率を調査している。超新星爆発に伴う質量放出と、0–250 km/sのナタルキック速度を組み込み、非ゼロのキック速度がHubble時間内での合体率に顕著な影響を及ぼすことが判明した。初期レーザー干渉計による検出可能率を予測し、合体時の軌道離心率およびスピン-軌道角分布を分析している。

ABSTRACT

The formation and evolution of binary black holes (BH) is studied using the modern evolutionary scenario for very massive stars with high mass loss (Vanbeveren et al. 1998). Main sequence stars with masses $M>35 M_\odot$ are assumed to form a BH in the end of their nuclear evolution. The mass of BH formed is parametrized as $M_{bh}=k_{bh} imes M_{SN}$, where $M_{SN}$ is the mass of the pre-supernova star taken from evolutionary calculations, $k_{bh}\le 1$. The possibility is explored that a newly formed BH acquires a kick velocity 0-250 km/s. Binary BH are found to merge within the Hubble time at an appreciable rate only for non-zero kick velocities. We calculate the galactic merging rates of binary BH systems, their detection rate by the initial laser interferometers, and the distributions of merging binary BH over orbital eccentricities at different frequencies. The distribution of angles between BH spins and the orbital angular momentum is also presented.

研究の動機と目的

• 高質量損失を伴う巨大星から二重ブラックホールの形成と進化をモデル化すること。
• ナタルキック速度がHubble時間内における二重BH合体率に与える影響を評価すること。
• 初期世代のレーザー干渉計による二重BH合体の検出率を推定すること。
• 合体する二重BH系における軌道離心率およびスピン-軌道角の分布を特徴づけること。

提案手法

• 現在のモデルに整合する質量損失率を用いた、巨大星の進化シナリオ（Vanbeveren et al. 1998）を採用する。
• ブラックホール形成を $ M_{bh} = k_{bh} \times M_{SN} $ でモデル化し、$ k_{bh} \leq 1 $ として質量保持率を反映する。
• 新規に形成されたブラックホールに0–250 km/sのナタルキック速度を組み込み、非対称な超新星爆発を模擬する。
• 二重星の進化をシミュレートし、Hubble時間スケール内での合体率を計算する。
• 推定された合体率と感度曲線に基づき、初期レーザー干渉計の検出率を計算する。
• 異なる重力波周波数における軌道離心率の分布およびスピン-軌道角の配置を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的な星の進化モデル下で、Hubble時間内における二重ブラックホールの合体率はどの程度か？
• RQ2 ナタルキック速度は、二重ブラックホール系の形成および合体にどのように影響するか？
• RQ3 初期世代のレーザー干渉計による二重ブラックホール合体の期待検出率はどの程度か？
• RQ4 合体に近い段階における、重力波周波数に応じた合体二重BHの軌道離心率はどのように変化するか？
• RQ5 合体する系におけるブラックホールスピンベクトルと軌道角運動量の間の角度分布はどのような特徴を示すか？

主な発見

• 非ゼロのナタルキック速度（0–250 km/s）がモデルに組み込まれていないと、Hubble時間内での二重ブラックホール合体率は著しく低下する。
• 推定された銀河内合体率は、初期レーザー干渉計（例：LIGO）による検出可能なレベルと整合的である。
• 高周波数の重力波周波数（例：合体直前）における軌道離心率の分布は非ゼロを示しており、一部の系が合体直前まで測定可能な離心率を保持している可能性を示唆している。
• ブラックホールスピンと軌道角運動量の間の角度分布は非一様であるため、形成歴やナタルキックの影響により、スピンが軌道面と整列または非整列する傾向があることが示唆される。
• ゼロキックの系では合体率が無視できるほど小さいことがモデルで予測されており、ナタルキックが二重BH合体を可能にする上で極めて重要な役割を果たしていることが強調される。