[論文レビュー] Don't fall into the gap: GW190521 as a straddling binary

M. Fishbach, D. E. Holz|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 26被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、GW190521 がペア不安定超新星（PISN）質量ギャップに跨る二重ブラックホールである可能性を提案している。一方のブラックホールは 50–120 M⊙ のギャップ内にあり、他方はその外にある。ベイズ推論と保守的な事前分布を用いて、二重ギャップ型の二重ブラックホールは跨ぎ型の構成より可能性が低いことが示され、GW190521 が星の進化モデルに反するのではなく、PISN ギャップを跨ぐ新しい種類の二重ブラックホールを露見している可能性がある。

ABSTRACT

Models for black hole (BH) formation from stellar collapse robustly predict the existence of a pair-instability supernova (PISN) mass gap: black holes cannot be born with masses in the range $50\,M_\odot\lesssim m\lesssim 120\,M_\odot$. The reported mass of GW190521's primary black hole, $m_1=85^{+21}_{-14}\,M_\odot$, falls squarely within this mass gap. Moreover, under the same uninformative priors used for $m_1$, GW190521's secondary black hole is also likely in the PISN mass gap ($m_2>50\,M_\odot$ at 93\% confidence). Even in proposed scenarios which can produce BHs in the PISN gap, double mass-gap binary black holes (BBHs) are expected to be rare. We consider the more conservative alternative that GW190521's secondary BH belongs to the population of BHs previously observed by LIGO/Virgo, finding $m_2 120\,M_\odot$, or 25\% probability for $m_1>130\,M_\odot$). This is because the total mass of the system is better constrained than the individual masses. As long as the prior odds for a double-mass-gap BBH are smaller than $\sim1:15$, it is more likely that GW190521 straddles the PISN gap. Alternatively, if we assume a gap width of $\gtrsim75\,M_\odot$ as predicted from stellar evolution, and assume that both components of GW190521 are formed from stellar collapse, we again find that GW190521's BHs straddle the mass gap, with the upper edge of the gap above $116\,M_\odot$ (90\% credibility). We argue that GW190521 may not present a fundamental challenge to our understanding of stellar evolution and collapse. Instead, GW190521 may be the first example of a straddling binary black hole, composed of a conventional stellar mass BH and a BH from the far side of the PISN mass gap.

研究の動機と目的

• 星の崩壊モデルがブラックホールの形成を予測しないPISN質量ギャップ内に位置するGW190521の主ブラックホール質量（85 M⊙）という明らかな矛盾を解消すること。
• 観測された二重ブラックホールが、二重ギャップ型であるか、片方がギャップ内、もう片方が外にある跨ぎ型であるかをより妥当に評価すること。
• GW190521 が新しい物理を要するのではなく、星の崩壊経由で形成されるが極めてまれな構成である可能性を検証すること。
• 保守的な事前分布と星の進化制約のもとで、跨ぎ型二重ブラックホールの尤度を二重ギャップ型と比較して定量化すること。

提案手法

• LIGO/Virgo のGW190521重力波データに非情報的事前分布を適用し、成分質量の事後分布を推定するベイズ推論の適用。
• 両方のブラックホールがPISN質量ギャップ（50–120 M⊙）内にある確率と、片方だけが内にある確率を、信頼区間とオッズ比を用いて評価。
• 二重ギャップ型二重ブラックホールと跨ぎ型二重ブラックホールのオッズを比較し、事前オッズが約1:15未満であれば、跨ぎ型のほうが尤もらしいことを示した。
• 星の進化モデルを用いて、PISNギャップの上端を推定し、ギャップ幅が ≥75 M⊙ であると仮定し、ギャップ上端の90%信頼区間を計算。
• 合計質量制約が個々の質量の不確実性を低減する主要因であることを評価し、跨ぎ型解釈を支持する。
• ギャップ幅や形成経路の仮定を変えても、跨ぎ型仮説の妥当性を検証し、以前のLIGO/Virgo検出から得られる二次的ブラックホールの可能性を含めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GW190521 が二重ギャップ型二重ブラックホールであるか、片方がPISNギャップ内、もう片方が外にある跨ぎ型であるか、どちらが尤もらしいか？
• RQ2 非情報的事前分布のもとで、GW190521 の両成分がPISN質量ギャップ内にある確率は何か？
• RQ3 システムの合計質量が個々の質量にどのように制約を加え、跨ぎ型構成の尤もらしさに影響を与えるか？
• RQ4 GW190521 が跨ぎ型二重ブラックホールである場合、星の進化にどのような意味があるか？
• RQ5 観測されたシステムは、特異な形成メカニズムを仮定せず、標準的な星の崩壊モデルで説明可能か？

主な発見

• 非情報的事前分布のもとで、GW190521 の二次的ブラックホールがPISN質量ギャップ内にある確率は93%であり、両成分がギャップ内にある可能性が高いことを示唆している。
• しかし、二重ギャップ型二重ブラックホールの事前オッズが約1:15未満であれば、跨ぎ型構成のほうが尤もらしくなる。これは保守的な閾値である。
• 星の進化が予測するようにギャップ幅が ≥75 M⊙ であると仮定した場合、PISNギャップ上端の90%信頼区間は116 M⊙ を上回り、跨ぎ型解釈を支持する。
• GW190521 の合計質量は個々の質量よりもよく制約されており、不確実性が低減され、跨ぎ型シナリオを支持する。
• 本分析では、保守的仮定のもとでも、GW190521 が二重ギャップ型より跨ぎ型二重ブラックホールである可能性が高いことが示された。
• 本稿は、GW190521 が標準的な星の進化モデルに反するのではなく、PISN質量ギャップを跨ぐ二重ブラックホールの最初の観測例を示している可能性があると結論づける。