[論文レビュー] Breaching the limit: formation of GW190521-like and IMBH mergers in young massive clusters

Manuel Arca Sedda, Francesco Paolo Rizzuto+4 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 11被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、相対論的補正を含む80件の高解像度N体シミュレーションを用いて、若い巨大星団（YMCs）における中間質量ブラックホール（IMBH）合体およびGW190521に類似した系の形成をモデル化する。この研究では、密度の高い星団における階層的合体が、300–350 M⊙の総質量を持つIMBH-BH二重星を生成できることを示し、LISAおよびDECIGOで検出可能であると判明した。また、3世代目の合体がGW190521のスピンパラメータを最もよく再現することも示している。

ABSTRACT

The LIGO-Virgo-Kagra collaboration (LVC) discovered recently GW190521, a gravitational wave (GW) source associated with the merger between two black holes (BHs) with mass $66$ M$_\odot$ and $>85$ M$_\odot$. GW190521 represents the first BH binary (BBH) merger with a primary mass falling in the "upper mass-gap" and the first leaving behind a $\sim 150$ M$_\odot$ remnant. So far, the LVC reported the discovery of four further mergers having a total mass $>100$ M$_\odot$, i.e. in the intermediate-mass black holes (IMBH) mass range. Here, we discuss results from a series of 80 $N$-body simulations of young massive clusters (YMCs) that implement relativistic corrections to follow compact object mergers. We discover the development of a GW190521-like system as the result of a 3rd-generation merger, and four IMBH-BH mergers with total mass $~(300-350)$ M$_\odot$. We show that these IMBH-BH mergers are low-frequency GW sources detectable with LISA and DECIGO out to redshift $z=0.01-0.1$ and $z>100$, and we discuss how their detection could help unravelling IMBH natal spins. For the GW190521 test case, we show that the 3rd-generation merger remnant has a spin and effective spin parameter that matches the $90\%$ credible interval measured for GW190521 better than a simpler double merger and comparably to a single merger. Due to GW recoil kicks, we show that retaining the products of these mergers require birth-sites with escape velocities $\gtrsim 50-100$ km s$^{-1}$, values typically attained in galactic nuclei and massive clusters with steep density profiles.

研究の動機と目的

• 密な星間環境におけるGW190521に類似した中間質量ブラックホール（IMBH）合体の形成経路を調査すること。
• 若い巨大星団（YMCs）における階層的合体が、上部質量ギャップおよびIMBH質量範囲のブラックホールを生成できるかどうかを特定すること。
• LISAやDECIGOなどの将来の重力波望遠鏡によるそのような合体の検出可能性を評価すること。
• 重力波反動キックの影響が、星団環境における合体残骸の保持に与える役割を評価すること。
• シミュレートされた合体残骸のスピンパラメータを、GW190521から推定されたものと比較し、形成モデルを検証すること。

提案手法

• 110,000個の星を含むYMCの80件の直接N体シミュレーションを実施し、コンパクト天体の合体を正確にモデル化するため相対論的補正を組み込む。
• シミュレーション済みの合体イベントからの残骸質量およびスピンを、数値フィッティング式（Jiménez-Forteza et al. 2017）を用いた後処理により計算する。
• Campanelli et al. (2007)およびLousto et al. (2012)に基づく重力波反動キックモデルを実装し、スピンに依存するキック速度式（対称質量比、スピンベクトル、軌道面成分を含む）を用いる。
• 星およびIMBHのスピン分布を複数設定：ガウス型ピーク（0.2, 0.5, 0.7）または[0,1]の一様分布、IMBHスピンはS_IBH = 0.01または0.99。
• 各合体イベントについて10,000回の実現を生成し、スピンおよび質量の結果の統計的妥当性を評価する。
• 主要な観測量（チルプ質量および有効スピンパラメータ）を計算し、高周波数重力波検出器の制約に不可欠な要因とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 若い巨大星団における階層的合体が、150–350 M⊙の範囲の総質量を持つブラックホール二重星を生成できるか？（これはIMBHに一致する。）
• RQ2 星団環境における3世代目の合体が、単純な形成経路よりもGW190521のスピンおよび有効スピンパラメータをよりよく再現できるか？
• RQ3 LISAおよびDECIGOによるIMBH-BH合体の検出可能性はどの程度か？また、何の赤方偏移で観測可能か？
• RQ4 重力波反動キックを考慮した場合、星団内に合体残骸を保持するための最小脱出速度閾値はどの程度か？
• RQ5 ブラックホールの初期スピン分布に関する異なる仮定が、合体残骸の推定された性質にどのように影響を与えるか？

主な発見

• YMC内での3世代目合体により、68 M⊙および70 M⊙の成分質量を持つ最終的な二重星が生成され、GW190521の源パラメータと一致する。
• 3世代目合体の残骸のスピンおよび有効スピンは、GW190521の90％信用区間内に位置し、単純な二重合体よりも優れた一致を示し、単一合体と同等の整合性を持つ。
• 合計質量が300–350 M⊙の4つのIMBH-BH合体が特定され、低周波数で検出可能な重力波信号を発する。
• これらのIMBH-BH合体は、LISAでは赤方偏移z ≈ 0.01–0.1まで、DECIGOではz > 100まで検出可能である。
• 通常の星質量ブラックホール合体では、重力波反動キックが50–100 km s⁻¹を超えるため、残骸を保持するには銀河核や密度の高い星団のような高い脱出速度環境が必要である。
• 反動キック分布の結果、質量比q ≈ 0.6–0.9（星質量ブラックホール二重星の典型的な値）の合体ではキック速度が100 km s⁻¹以上となり、一方、極めて非対称な合体（q < 0.1）ではキックが低くなる。