[論文レビュー] Constraining population synthesis models via observations of compact-object binaries and supernovae

R. O’Shaughnessy, C. Kim+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2006

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、観測された二重コンパクト対象（DCO）および超新星の発生率を用いて、人口合成モデルを制約し、そのうち約9％のモデルが観測データと整合することを明らかにした。また、300 km/sのマクスウェル速度分布を示すネイタルキック、安定質量転送期の90％の質量損失、および共通エンvelopeのα ≈ 0.2–0.5の値が好ましいパラメータとして特定された。さらに、銀河系内のBH-BH、BH-NS、NS-NS連星の重力波合体率が予測された。

ABSTRACT

The observed samples of supernovae (SN) and double compact objects (DCOs) provide several critical constraints on population-synthesis models: the parameters of these models must be carefully chosen to reproduce, among other factors, (i) the formation rates of double neutron star (NS-NS) binaries and of white dwarf-neutron star (WD-NS) binaries and (ii) the type II and Ib/c supernova rates. Even allowing for extremely conservative accounting of the uncertainties in observational and theoretical predictions, we find only a few plausible population synthesis models (roughly 9%) are consistent with DCO and SN rates empirically determined from observations. As a proof of concept, we describe the information that can be extracted about population synthesis models given such stringent observational tests, including surprisingly good agreement with the observed pulsar proper motion distribution. In the present study, we find that the current observational constraints favor: kicks described by a single Maxwellian with a typical velocity of about 300km/s; mass-loss fractions during non-conservative, but stable, mass transfer episodes of about 90%; and common envelope parameters of about 0.2-0.5. Finally, we use the subset of astrophysically consistent models to predict the rates at which double black hole (BH-BH), black hole-neutron star (BH-NS), and NS-NS binaries merge in the Milky Way through the emission of gravitational waves.

研究の動機と目的

• 二重中性子星および白色矮星-中性子星連星の観測形成率と人口合成モデルの整合性を検証すること。
• 観測されたタイプIIおよびIb/c型超新星率とモデルの適合性を評価すること。
• 厳密な観測的制約を用いて、天体物理学的に妥当なモデルパラメータを同定すること。
• 観測データから、ネイタルキック速度や質量損失率といった物理的洞察を抽出すること。
• 一貫性のあるモデルを用いて、銀河系内BH-BH、BH-NS、NS-NS連星の重力波合体率を予測すること。

提案手法

• 観測的制約として、二重コンパクト対象（DCO）および超新星の経験的形成率が用いられた。
• 人口合成モデルは、NS-NSおよびWD-NS連星の形成率を含め、観測されたDCOおよびSN発生率と照合された。
• 統計的比較が行われ、タイプIIおよびIb/c型超新星、およびDCO形成率と整合するモデルが特定された。
• 予測されたパルサーの固有運動分布を観測と比較することで、モデルはさらに制約された。
• ネイタルキック速度、安定質量転送期の質量損失率、共通エンvelopeエネルギー予算といった主要なモデルパラメータは、観測との整合性から推定された。
• 一貫性のあるモデルのサブセットを用いて、BH-BH、BH-NS、NS-NS連星の重力波合体率が予測された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された二重コンパクト対象および超新星の形成率と整合する人口合成モデルはどれか？
• RQ2 ネイタルキック速度、安定質量転送期の質量損失率、共通エンvelopeパラメータの好ましい値は何か？
• RQ3 制約を加えたモデルは、観測されたパルサーの固有運動分布をどれほどよく再現するか？
• RQ4 銀河系内BH-BH、BH-NS、NS-NS連星の重力波合体率は予測されるか？
• RQ5 観測的制約は、人口合成モデルの妥当なパラメータ空間をどれほど厳しく制限するか？

主な発見

• テストされた人口合成モデルのうち、わずか約9％がDCOおよび超新星率からの経験的制約と整合した。
• データは、典型的な速度が約300 km/sの単一のマクスウェル型ネイタルキックを支持している。
• 非保存的で安定した質量転送期の質量損失率は、約90％が最良のフィットを示した。
• 共通エンvelopeパラメータは、0.2から0.5の範囲に制限された。
• 整合性のあるモデルのサブセットは、銀河系内BH-BH、BH-NS、NS-NS連星の重力波合体率を特定の値として予測した。
• モデルは、観測されたパルサーの固有運動分布と驚くほど良好に一致した。