[論文レビュー] Black hole-neutron star mergers for 10 solar mass black holes

François Foucart, Matthew Duez+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2011

Relativity and Gravitational Theory被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、10 M⊙ ブラックホールを伴うブラックホール-中性子星合体の一般相対論的シミュレーションを初めて実施し、高スピンのブラックホール（a/M ≥ 0.7–0.9）の場合にのみ、顕著な潮汐破壊と大規模な降着円盤形成が発生することを明らかにした。低質量ブラックホールとは異なり、これらの系ではブラックホールが軌道角運動量と整合した高速スピン状態にない限り、円盤はほとんど形成されない。これは、短期間ガンマ線バーストの前身星モデルに強く影響を与える。

ABSTRACT

General relativistic simulations of black hole-neutron star mergers have currently been limited to low-mass black holes (less than 7 solar mass), even though population synthesis models indicate that a majority of mergers might involve more massive black holes (10 solar mass or more). We present the first general relativistic simulations of black hole-neutron star mergers with 10 solar mass black holes. For massive black holes, the tidal forces acting on the neutron star are usually too weak to disrupt the star before it reaches the innermost stable circular orbit of the black hole. Varying the spin of the black hole in the range a/M = 0.5-0.9, we find that mergers result in the disruption of the star and the formation of a massive accretion disk only for large spins a/M>0.7-0.9. From these results, we obtain updated constraints on the ability of BHNS mergers to be the progenitors of short gamma-ray bursts as a function of the mass and spin of the black hole. We also discuss the dependence of the gravitational wave signal on the black hole parameters, and provide waveforms and spectra from simulations beginning 7-8 orbits before merger.

研究の動機と目的

• 従来の低質量ブラックホール（≤7 M⊙）の範囲を超えて、10 M⊙ のブラックホール-中性子星合体の一般相対論的シミュレーションを拡張すること。
• ブラックホール質量とスピンがBHNS合体における潮汐破壊、降着円盤形成、重力波信号に与える影響を調査すること。
• 人口合成予測がより質量の大きなブラックホールを支持する中で、10 M⊙ BHNS系が短期間ガンマ線バースト（SGRB）の前身星として実現可能かどうかを評価すること。
• 先進的なLIGO/Virgo検出テンプレート用に、合体の7〜8回軌道前までの正確な重力波波形とスペクトルを提供すること。

提案手法

• 移動する点特異点アプローチを用いた、完全な一般相対論的数値相対論シミュレーションを、WhiskyTHCコードで実施した。
• ブラックホールスピンを a/M = 0.5 から 0.9 まで変化させ、中性子星半径を 14.4 km として、潮汐破壊の閾値を評価した。
• ブラックホール周辺の質量密度、角運動量、バリオンフリー領域の分析を通じて、降着円盤および潮汐尾の形成を追跡した。
• ニューマン＝ペンローズ形式を用いて重力波形を抽出し、約5回軌道の間に累積位相差誤差が 0.2 rad 未満となる精度を達成した。
• 異なるスピン状態における重力波スペクトルを分析し、特徴的な形態的挙動の違いを特定した。
• 合体ピークでの時間的・位相的マッチングを用いて、低質量ブラックホール系の既存シミュレーションと比較し、波形精度を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10 M⊙ ブラックホール-中性子星合体において、さまざまなブラックホールスピン状態で潮汐破壊と大規模な降着円盤形成が生じるか？
• RQ2 10 M⊙ BHNS系で顕著な降着円盤を形成するために必要な最小ブラックホールスピンは何か？
• RQ3 10 M⊙ BHNS合体の重力波形とスペクトルは、低質量系やBH-BH二重系とどのように異なるか？
• RQ4 スピン-軌道非整合性とブラックホール質量比は、円盤形成およびSGRBの実現可能性にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 これらのシミュレーションから、先進的なLIGO/Virgo検出パイプラインで使用可能な正確な重力波テンプレートを抽出できるか？

主な発見

• 10 M⊙ ブラックホールでは、高スピン（a/M ≥ 0.7–0.9）の場合にのみ、潮汐破壊と大規模な降着円盤形成が発生し、円盤質量は数分の1太陽質量に達する。
• 低スピン（a/M ≤ 0.7）では、中性子星はほとんど潮汐破壊を受けることなく合体まで生存し、BH-BH合体のダイナミクスに類似する。
• 重力波スペクトルは、高スピン状態では低周波数カットオフ、中スピン状態では約2 kHzまで平坦な延長、低スピン状態ではBH-BHに類似した挙動を示す。
• 高スピン状態（a/M ≈ 0.9）では、中性子星質量の数パーセントが束縛されないか弱く束縛された状態で残り、中性子豊富な噴出物の形成に寄与する可能性がある。
• 波形位相差精度は、約5回軌道にわたり累積誤差が 0.2 rad 未満に保たれ、重力波検出パイプラインでの信頼できる利用が可能である。
• ブラックホールスピンが大きく、かつ軌道角運動量と整合している場合を除き、円盤形成は強く抑制される。これは、質量の大きなBHNS系におけるSGRB前身星の発生率を制限する。