[論文レビュー] Detecting intermediate-mass black holes in Milky Way globular clusters and the Local Volume with LISA and other gravitational wave detectors

Manuel Arca Sedda, Pau Amaro‐Seoane+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、N体シミュレーションを用いて、二重相互作用を通じた球状星団内における中質量ブラックホール（IMBH）形成をモデル化し、初期条件に応じて5–50％の確率でIMRIが形成されることを示した。LISAは、$ M_{\text{IMBH}} \sim 4 \times 10^4 \, M_\odot $ の条件下で、年間6–60件のIMRIを検出可能と予測される。一方、将来の検出器であるDECIGOでは、年間最大3,800件の検出が可能である。

ABSTRACT

The next generation of gravitational wave (GW) observatories would enable the detection of intermediate mass ratio inspirals (IMRIs), tight binaries composed of an intermediate-mass black hole (IMBH) and a compact stellar object. Here, we study the formation of IMRIs triggered by the interactions between two stellar BHs and an IMBH inhabiting the centre of a globular cluster via direct $N$-body models. Varying the IMBH mass, the stellar BH mass spectrum, and the star cluster properties, we find that IMRIs' formation probability depends on the initial conditions adopted, attaining overall values $\sim5-50\%$. Merging IMRIs tend to map the stellar BH mass spectrum, thus suggesting that their detections can provide clues about the co-evolution of IMBHs and stellar BHs. Given the post-merger GW recoil, typical globular clusters containing an IMBH with mass $M_{ m IMBH}\gtrsim 10^3$ M$_\odot$ have a retention probability $>50\%$ only if the companion has a mass $M_{ m BH}\leq 30$ M$_\odot$. Lower IMBHs are ejected from the cluster if $M_{ m BH}>10$ M$_\odot$. At masses $M_{ m IMBH}=10^2-10^3$ M$_\odot$, the remnant spin is strongly affected by the spin of the companion, whereas for $M_{ m IMBH}>10^4$ M$_\odot$ it is preserved upon multiple mergers. In a 4 yr long mission, we suggest that LISA can unravel IMBHs in Milky Way globular clusters with a signal-to-noise ratio SNR$=10-100$, or in the Large Magellanic Cloud (SNR$=8-40$). Our inferred merger rate suggests that LIGO could detect $0.9-2.5$ yr$^{-1}$ IMRIs with $M_{ m IMBH}\sim100$ M$_\odot$, whereas for LISA we find $6-60$ yr$^{-1}$ detections ($M_{ m IMBH} \sim 4 imes 10^4$ M$_\odot$). Future detectors like Einstein Telescope can deliver up to $10^3$ yr$^{-1}$ IMRIs, whereas DECIGO might allow $400-3800$ yr$^{-1}$ detections for $M_{ m IMBH}<5 imes10^4$ M$_\odot$.

研究の動機と目的

• N体シミュレーションを用いて、IMBHと恒星質量ブラックホールの相互作用による球状星団内における中質量比インスパイラル（IMRI）形成を調査すること。
• IMRI形成確率がIMBH質量、恒星質量ブラックホール質量スペクトル、および星団特性にどのように依存するかを特定すること。
• 二重合体の重力波反動による合体後に星団内にIMBHが保持される確率を評価すること。
• LISA、LIGO、エインシュタイン望遠鏡、DECIGOの各検出器によるIMRI検出レートを、さまざまなIMBH質量に対して推定すること。
• 合体後の残渣ブラックホールのスピンと質量スペクトルが、IMBHと恒星質量ブラックホールの共進化をどのように反映するかを調査すること。

提案手法

• IMBHと複数の恒星質量ブラックホールを有する球状星団の直接N体シミュレーションを実施し、動的相互作用とIMRI形成をモデル化する。
• IMBH質量（$ 10^2 - 10^4 \, M_\odot $）、恒星質量ブラックホール質量スペクトル、星団密度を変化させ、形成確率を評価する。
• 合体後の反動速度を追跡し、二重合体の合体後に星団内にIMBHが保持される確率を計算する。
• 後ニュートン近似および波形モデルを用いて、LISAおよび他の検出器の信号対雑音比（SNR）を推定する。
• シミュレートされたイベントレートと検出器感度に基づき、異なる検出器およびIMBH質量に対する年間合体レートを計算する。
• 複数回の合体にわたる残渣スピンの進化を分析し、初期ブラックホールスピンとIMBH質量が最終スピンに与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IMBHおよび恒星質量ブラックホールの質量に応じた初期条件が変化する中で、球状星団内におけるIMRI形成確率はどの程度か？
• RQ2 二重合体からの重力波反動が、球状星団内におけるIMBHの保持にどのように影響するか？
• RQ3 LISA、LIGO、エインシュタイン望遠鏡、DECIGOが、さまざまなIMBH質量に対してIMRIをどの程度の頻度で検出できるか？
• RQ4 合体する恒星質量ブラックホールの質量スペクトルが、IMBHと恒星質量ブラックホールの共進化歴史をどの程度反映しているか？
• RQ5 最終的な残渣ブラックホールのスピンは、初期の恒星質量ブラックホールのスピンとIMBH質量にどのように依存するか？

主な発見

• IMRI形成確率は、初期条件（IMBH質量、恒星質量ブラックホール質量スペクトルなど）に応じて5％から50％の範囲で変動する。
• $ M_{\text{IMBH}} \gtrsim 10^3 \, M_\odot $ のIMBHは、同伴の恒星質量ブラックホールが $ M_{\text{BH}} \leq 30 \, M_\odot $ である場合にのみ、50％以上の保持確率を示す。それ以上の質量の同伴では、IMBHが星団から放出される。
• $ M_{\text{IMBH}} = 10^2 - 10^3 \, M_\odot $ の場合、残渣スピンは同伴のスピンに強く依存するが、$ M_{\text{IMBH}} > 10^4 \, M_\odot $ の場合、複数回の合体にわたってスピンが保持される。
• LISAは、4年間のミッション期間中に、銀河系の球状星団内IMBHをSNR = 10–100で検出可能であり、大マゼラン雲ではSNR = 8–40で検出可能である。
• LIGOは、$ M_{\text{IMBH}} \sim 100 \, M_\odot $ の条件下で、年間0.9–2.5件のIMRIを検出可能と予想される。一方、LISAは、$ M_{\text{IMBH}} \sim 4 \times 10^4 \, M_\odot $ の条件下で年間6–60件の検出が可能である。
• 将来の検出器、例えばエインシュタイン望遠鏡とDECIGOは、$ M_{\text{IMBH}} < 5 \times 10^4 \, M_\odot $ の条件下で、それぞれ年間最大$ 10^3 $件および$ 400-3800 $件のIMRI検出が可能である。