[論文レビュー] Black Hole Mergers from Globular Clusters Observable by LISA and LIGO: Results from post-Newtonian Binary-Single Scatterings

Johan Samsing, Daniel J. D’Orazio+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 28

ひとこと要約

本研究では、球状星団における三体相互作用を経て形成されたブラックホール合体から生じる重力波（GW）信号を、N体シミュレーションにおける後ニュートン近似（PN）補正を用いて調査した。その結果、これらの合体の5–10%が0.1 Hz以上の周波数で発生し、LISA帯を経由せずに直接LIGO帯に到達する——これは、動的形成による二重ブラックホールと孤立した場の二重ブラックホールを区別するための特徴的な観測的特徴を提供する。

ABSTRACT

We study the gravitational wave (GW) frequency and chirp mass distribution of binary black hole (BBH) mergers assembled through three-body interactions in globular clusters (GCs), when GW emission at the 2.5 post-Newtonian (PN) level is included in the $N$-body equation-of-motion (EOM). From performing $\\sim 2.5\ imes10^{6}$ PN binary-single interactions based on GC data from the `MOCCA-Survey Database I' project, and by the use of analytical methods, we find that $5-10\\%$ of all the three-body assembled GC BBH mergers have a GW frequency at formation that is $\\gtrsim 10^{-1}$ Hz, implying they enter the LIGO band without having drifted through the LISA band first. If PN terms are not included in the EOM, one finds instead that all BBH mergers drifts through both LISA and LIGO. As the fraction of BBH mergers that only show up in LIGO is expected to be $\\sim 0\\%$ for standard field binary BBH mergers, future joint measurements with LISA and LIGO can be used to gain insight into the formation of BBH mergers.

研究の動機と目的

• 後ニュートン近似（PN）補正をN体運動方程式に適用した場合、球状星団内で形成されたブラックホール合体の重力波周波数分布に与える影響を特定すること。
• 球状星団内で形成された二重ブラックホール（BBH）合体のうち、LISA帯を経由せずに直接LIGO帯に到達する割合を評価すること。
• マルチバンドGW観測を用いて、動的に形成されたBBHと孤立した場の二重ブラックホールを区別すること。
• 2.5PNレベルでの重力波放射の役割が、共鳴する二重星-単一星相互作用中に高周波数合体を可能にする仕組みを定量化すること。
• 将来のLISAとLIGOの共同観測を想定し、BBH形成チャネルを制約する予測フレームワークを提供すること。

提案手法

• 球状星団のMOCCA-Survey Database Iのデータを用いて、約250万件の後ニュートン近似付き二重星-単一星相互作用をシミュレーションした。
• N体運動方程式に2.5次後ニュートン近似（PN）項を適用し、軌道進化に及ぼす相対論的効果をモデル化した。
• 各シミュレートされたBBH系について、合体時の重力波周波数とチルプマスを追跡した。
• 特に共鳴する三体相互作用に注目し、数値結果の妥当性を確認・解釈するために解析的手法を用いた。
• 相対論的GW放射の影響を明確に分離するために、PN補正ありとなしの結果を比較した。
• LISA帯およびLIGO帯の周波数帯域におけるBBH合体の分布をモデル化し、検出可能性と形成経路の特徴を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 球状星団内で三体相互作用を経て形成された二重ブラックホール合体のうち、何パーセントがLISA帯を経由せずに直接LIGO帯に到達するか？
• RQ2 N体運動方程式に2.5次後ニュートン近似項を含めることで、BBH合体の重力波周波数分布にどのような影響を与えるか？
• RQ3 一部のLIGO観測BBH合体にLISA帯信号が欠落している場合、それが球状星団内での動的形成の証拠となるか？
• RQ4 共鳴する二重星-単一星相互作用中に発生するGW捕獲合体の周波数分布は、通常の場の二重星合体とどのように異なるか？
• RQ5 球状星団由来のBBH合体の何パーセントがLISAでは検出されず、LIGOでの検出にのみ成功するか？

主な発見

• 球状星団内で三体相互作用を経て形成された二重ブラックホール合体の5–10%が、重力波周波数≥0.1 Hzで発生し、直接LIGO帯に位置づけられる。
• PN補正なしでは、こうした合体はすべてLISA帯およびLIGO帯を通過するため、高周波数集団の形成にはPN項が不可欠であることが示された。
• 2.5PN項の導入により、LISA帯を完全に回避する合体が形成可能となり、これはニュートン的シミュレーションでは観察されない特徴である。
• この高周波数集団は、共鳴する二重星-単一星相互作用中のGW捕獲合体に起因し、完全な相対論的力学的記述がなければ解明できないチャネルである。
• 標準的な場の二重星形成では、LISAを逃す合体の割合は約0%と予想されるため、これは動的形成の明確な観測的特徴である。
• 将来のLISAとLIGOの共同観測により、観測されたBBH合体率における動的形成と孤立形成の相対的寄与を制約できる。