[論文レビュー] Comparison of LIGO/Virgo upper limits with predicted compact binary merger rates

Krzysztof Belczyński, Michał Dominik+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2012

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 9被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、BH-BHおよびNS-NS系を含むコン pact 二重星合体率の理論的予測を、現在の LIGO/Virgo の上限と比較している。人口合成モデルを用いて、合体質量が 50–70 M⊙ の場合、楽観的なBH-BH合体率予測は現在の上限のおよそ 3 分の 1 であり、高感度で検出が近いことを示唆している。NS-NS系については、予測される合体率が上限のおよそ 3 次のオーダー低く、設計感度でも検出が保証されない。

ABSTRACT

We compare the current LIGO/Virgo upper limits on double compact object volumetric merger rates with our theoretical predictions. Our optimistic models are a factor of 3 below the existing upper limits for massive BH-BH systems with total mass 50-70 Msun, suggesting that a small increase in observational sensitivity may bring the first detections. The LIGO/Virgo gravitational wave observatories are currently being upgraded to advanced design sensitivity. If a sizeable population of BH-BH binaries is detected, the maximum total binary mass of this population will discriminate between two general families of common envelope models. If no binaries are detected, the new upper limits will provide astrophysically useful information about the environment and physical processes (e.g., metallicity of host galaxies or BH natal kicks) crucial to the formation of binaries containing black holes. For NS-NS systems, our predicted rates are 3 orders of magnitude below the current upper limits; even if advanced instruments reach their design sensitivities (factors of 10 times in distance, and 1,000 times in volumetric rate) the detection of NS-NS systems is not assured. However, we note that although our predicted NS-NS merger rates are consistent with estimates derived from Galactic NS-NS binaries and short GRBs, they are on the low side of these empirical estimates.

研究の動機と目的

• 現在の LIGO/Virgo による二重コン pact 物体合体率の上限と、人口合成モデルからの理論的予測の整合性を評価すること。
• 理論的合体率に基づいて、高感度 LIGO/Virgo 機器による BH-BH および NS-NS 二重星の検出可能性を評価すること。
• 将来的な上限や検出から得られる天体物理学的知見、特に共通エンvelope 演化やブラックホールの初期反動速度といった形成メカニズムに関する情報を特定すること。
• 金属量、超新星の反動速度、共通エンvelope 効率が予測される合体率に与える影響を定量化すること。

提案手法

• 共通エンvelope 効率や初期反動速度といった主要パラメータを変化させた 12 種の物理的に現実的な二重星系の進化をモデル化するために、StarTrack 人口合成コードを用いた。
• 金属量（Z = 0.02 および Z = 0.002）を変化させた進化モデルのデータベースを用いて、NS-NS、BH-NS、BH-BH 系の銀河内合体率（Myr⁻¹）を計算した。
• 銀河内率を、式 R_vol = 10⁻⁶ × ρ_gal × [f_Z × R_MW^Z⊙ + (1−f_Z) × R_MW^0.1Z⊙] を用いて、局所宇宙における体積密度合体率に変換した。ここで ρ_gal = 0.01 Mpc⁻³ である。
• 合体質量の各バンド（2–5 M⊙ から 73–91 M⊙）における予測体積密度合体率を、Abadie et al. (2012) および Aasi et al. (2013) の LIGO/Virgo の既存の上限と比較した。
• 標準モデル（S）と変種（V5–V17）を用いて、寄与エネルギーの不確実性や共通エンvelope エネルギー予算といった未確定な物理的パラメータへの感受性を調査した。
• 非検出または検出がもたらす、金属量依存性やブラックホール初期反動速度といった天体物理学的プロセスの制約への影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論的予測される二重コン pact 物体合体率は、現在の LIGO/Virgo の上限とどのように一致するか？
• RQ2 現在の理論的合体率推定値を踏まえると、高感度 LIGO/Virgo 機器で BH-BH 二重星を検出する可能性はどの程度か？
• RQ3 共通エンvelope 演化やブラックホール初期反動速度の不確実性が、予測される合体率に与える影響は何か？
• RQ4 将来的な非検出または上限から、コン pact 二重星合体に関するどのような天体物理学的情報が得られるか？
• RQ5 予測される NS-NS 合体率は、銀河内二重中性子星系や短時間ガンマ爆発からの経験的推定とどの程度一致するか？

主な発見

• 合体質量が 50–70 M⊙ の BH-BH 系において、最も楽観的な理論モデルでは、合体率が現在の LIGO/Virgo 上限のおよそ 3 分の 1 である。これは、感度をわずかに向上させれば初回検出が近いことを示唆している。
• 理論的 NS-NS 合体率は、現在の LIGO/Virgo 上限のおよそ 3 次のオーダー低く、設計感度（体積密度合体率が 1000 倍向上）でも NS-NS の検出が保証されないことを示している。
• 予測される合体率が低くても、銀河内二重中性子星系や短時間ガンマ爆発からの経験的推定と整合的であるが、経験的範囲の下限付近に位置している。
• 高感度 LIGO/Virgo 観測で BH-BH 二重星が検出されない場合、その上限は、宿主銀河の金属量やブラックホール初期反動速度といった重要な形成パラメータを強く制約する。
• 検出された BH-BH 二重星の最大合体質量は、共通エンvelope 演化モデルの二大ファミリーを区別することができ、二重星進化理論の直接的検証となる。
• 最も楽観的なモデル（V11A）では、54–73 M⊙ バンドにおける予測合体率が 2.0×10⁻⁷ Mpc⁻³ yr⁻¹ に達するが、依然として LIGO/Virgo の上限 0.7×10⁻⁷ Mpc⁻³ yr⁻¹ 以下であり、検出の余地があることを示している。