[論文レビュー] Black hole triple dynamics: implications for gravitational wave detections

Fabio Antonini, Norman Murray+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2013

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、高精度なN体シミュレーションを用いて、球状星団内のブラックホール3重連星がKozai共鳴によって二重星合体を駆動し、高歪みの重力波信号を生成することを示している。LIGO帯に入ると、50%以上の合体二重星が偏心率e > 0.1を示し、10%は極めて歪んだ状態（1−e < 10−5）に達する。これは、重力波検出において準円形テンプレートの使用を困難にする。

ABSTRACT

Coalescing black hole (BH) binaries forming in the dense core of globular clusters (GCs) are expected to be one the brightest sources of gravitational wave (GW) radiation for the next generation of ground-based laser interferometers. Favorable conditions for merger are initiated by the Kozai resonance in which the gravitational interaction with a third distant object, typically another BH, induces quasi-periodic variations of the inner BH binary eccentricity. In this paper we perform high precision N-body simulations of the long term evolution of hierarchical BH triples and investigate the conditions that lead to the merging of the BH binary and the way it might become an observable source of GW radiation. We find that the secular orbit average treatment, adopted in previous works, does not reliably describe the dynamics of these systems if the binary is orbited by the outer BH on a highly inclined orbit at a moderate distance. During the high eccentricity phase of a Kozai cycle the torque due to the outer BH can drive the binary to extremely large eccentricities in a fraction of the binary's orbital period. This occurs before relativistic terms become important to the evolution and allows the binary GW signal to reach large GW frequencies (>~10 Hz) at high eccentricities. We show that ~50 % of coalescing BH binaries driven by the Kozai mechanism in GCs will have eccentricities larger than 0.1, with 10 % of them being extremely eccentric, (1-e)<~10^-5, when they first chirp in the frequency band of ground based laser interferometers. This implies that a large fraction of such GW sources could be missed if conventional quasi-circular templates are used for analysis of GW detectors data. The efficient detection of all coalescing BH binaries in GCs will therefore require template banks of eccentric inspiral waveforms for matched-filtering and dedicated search strategies.

研究の動機と目的

• 密な星間環境における階層的ブラックホール3重連星の長期的動的進化を調査すること。
• Kozai駆動による二重星合体を、長期間にわたってセクレア軌道平均近似が信頼性を持ってモデル化できるかどうかを評価すること。
• 地上重力波干渉計の感度周波数帯に達した時点で、合体するブラックホール二重星の偏心率分布を特定すること。
• 特に、標準的な円形テンプレートを用いた検出戦略における影響を評価すること。

提案手法

• 長期間にわたる階層的ブラックホール3重連星系の高精度N体シミュレーションを実施すること。
• Kozai–Lidov振動の影響を受ける軌道要素（特に偏心率と傾き）の進化を追跡すること。
• 先行研究で用いられたセクレア軌道平均近似との結果を、完全なN体積分と比較すること。
• 地上干渉計（f >~10 Hz）の感度周波数帯に達した際の二重星合体のタイミングと偏心率を分析すること。
• 検出可能な chirp の開始時点で、高偏心率（e > 0.1）および極端な偏心率（1−e < 10−5）に達する二重星の割合を定量化すること。
• 準円形波形に基づく従来のマッチドフィルタリング技術を用いた、こうした信号の検出可能性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高傾きの外側軌道を持つブラックホール3重連星において、セクレア軌道平均近似は、短時間スケールで強いトルクが働く遠方の外側ブラックホールによって引き起こされる急速で高振幅の偏心率の変動を的確に記述できるか？
• RQ2 地上重力波干渉計の感度周波数帯に最初に進入した際、合体するブラックホール二重星の偏心率分布はどのようになるか？
• RQ3 相対論的効果が顕著になる前まで、Kozai振動が二重星をどの程度まで極端な偏心率にまで引き上げるか？
• RQ4 球状星団内の合体するブラックホール二重星のうち、検出可能な chirp の開始時点で偏心率e > 0.1 または 1−e < 10−5 を示す割合はどの程度か？
• RQ5 こうした系からの信号に対して、標準的な円形テンプレートバンクが使用された場合、重力波検出戦略にどのような影響が生じるか？

主な発見

• セクレア軌道平均近似は、遠くにあり高傾きな外側ブラックホールが引き起こす短時間スケールで強いトルクによる、急激で高振幅の偏心率の変動を捉えられていない。
• 高傾きな系では、外側ブラックホールが二重星を、相対論的歳差が顕著になるよりもはるかに前段階で極端な偏心率（1−e < 10−5）にまで引き上げる。
• 球状星団内の合体するブラックホール二重星の約50%が、LIGO帯（f >~10 Hz）に最初に進入した時点で偏心率が0.1以上に達する。
• 合体する二重星の約10%が、地上検出器の感度周波数帯に進入した時点で極めて歪んでいる（1−e < 10−5）。
• これらの結果は、標準的なマッチドフィルタリングパイプラインが準円形波形テンプレートに依存している場合、球状星団内のブラックホール二重星合体の顕著な割合が見逃されると示唆する。
• こうした源を効率的に検出するには、極めて歪んだ準拡張のインスピレーションに特化した歪みテンプレートバンクと、専用の検索戦略の開発が不可欠である。