[論文レビュー] Constraints on compact binary merger evolution from spin-orbit misalignment in gravitational-wave observations

B. P. Gompertz, M. Nicholl+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 125被引用数 28

ひとこと要約

本稿は、中性子星-ブラックホール（NS-BH）重力波イベントにおけるスピン-軌道非一致を調査し、連星進化メカニズムを制約する。LIGO-Virgo-KAGRAの検出結果から得られる傾き角の事後分布を用いて、GW200115、GW190426_152155、およびGW190917_114630で顕著な反平行配置が観測された。これは標準的な孤立連星進化モデルに反するものであり、強力なネイタルキックや安定的質量転送の可能性を示唆する。これらの結果は、NS-BH形成において効率的質量転送と等方的キックが重要な役割を果たす可能性を示している。

ABSTRACT

The identification of the first confirmed neutron star - black hole (NS-BH) binary mergers by the LIGO, Virgo and KAGRA collaboration provides the opportunity to investigate the properties of the early sample of confirmed and candidate events. Here, we focus primarily on the tilt angle of the black hole's spin relative to the orbital angular momentum vector of the binary, and the implications for the physical processes that determine this tilt. The posterior tilt distributions of GW200115 and the candidate events GW190426_152155 and GW190917_114630 peak at significantly anti-aligned orientations (though display wide distributions). Producing these tilts through isolated binary evolution would require stronger natal kicks than are typically considered (and preferentially-polar kicks would be ruled out), and/or an additional source of tilt such as stable mass transfer. The early sample of NS-BH events are less massive than expected for classical formation channels, and may provide evidence for efficient mass transfer that results in the merger of more massive NS-BH binaries before their evolution to the compact phase is complete. We predict that future gravitational-wave detections of NS-BH events will continue to display total binary masses of $\approx 7$ M$_{\odot}$ and mass ratios of $q \sim 3$ if this interpretation is correct. Conversely, the high mass of the candidate GW191219_163120 suggests a dynamical capture origin. Large tilts in a significant fraction of merging NS-BH systems would weaken the prospects for electromagnetic detection. However, EM observations, including non-detections, can significantly tighten the constraints on spin and mass ratio.

研究の動機と目的

• 初期のNS-BH重力波イベントにおけるスピン-軌道非一致の物理的メカニズムを理解すること。
• 孤立連星進化と動的形成のどちらが観測された傾き角分布をよりよく説明するかを検証すること。
• スピン非一致が電磁的フォローアップおよびマルチメッセンジャー天文学に与える影響を評価すること。
• NS-BH連星進化における質量転送効率とネイタルキックの性質を制約すること。

提案手法

• GWTC-2、GWTC-2.1、GWTC-3の公開された重力波事後サンプルを用いて、ブラックホールスピン傾き角の事後予測分布（PPD）を構築した。
• Abdol et al. (2021d) が得た全人口の二重ブラックホール（BBH）合体と比較することで、NS-BH傾き角事後分布の統計的整合性を評価した。
• 等方的キックと極軸キックの両方がスピン-軌道非一致に与える影響を、シミュレーションと理論モデルを用いて評価した。
• ドナー星へのトルクが質量転送によってスピン非一致を引き起こす役割を評価した。
• ベイズ推論を用いて、観測された傾き角分布と標準的ネイタルキックモデルとの間に生じる矛盾を定量化した。
• 推定された進化経路に基づき、将来的なNS-BH検出傾向を予測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測されたNS-BH合体におけるスピン-軌道非一致は、孤立連星進化モデルと整合的か？
• RQ2 ネイタルキックや質量転送といった物理的メカニズムが、観測された反平行スピン分布をどのように説明できるか？
• RQ3 観測された傾き角が、ブラックホールネイタルキックの等方性と大きさをどの程度制約するか？
• RQ4 初期NS-BHイベントの低全質量（約7 M⊙）と高い質量比（q ≈ 3）は、核心崩壊以前の効率的質量転送をどの程度示唆するか？
• RQ5 大きなスピン-軌道非一致は、NS-BH合体の電磁的対応体にどのような影響を及えるか？

主な発見

• GW200115、GW190426_152155、およびGW190917_114630の事後分布は、顕著な反平行スピン-軌道配置にピークを示しており、強い非一致を示している。
• これらの反平行傾きは、標準的孤立連星進化モデルとは整合しないが、通常の値を超えるネイタルキックが発生するか、安定的質量転送のような追加の傾き生成メカニズムが働く場合にのみ説明可能である。
• 観測された低全質量（約7 M⊙）と高い質量比（q ≈ 3）は、最初の超新星の前段階で効率的質量転送が行われていたことを示唆し、非古典的形成経路を支持する。
• 極軸キックよりも等方的キックが好ましい。後者は観測された傾き角分布を再現できない。
• NS-BH系の大部分で顕著なスピン非一致が観測されることで、電磁的対応体の検出可能性が低下する。特にブラックホールスピンが反平行の場合に顕著である。
• 将来的な重力波-電磁波連携観測により、スピンと質量比の制約が強化され、現在の測定値におけるデゲネラシーを解消できる可能性がある。