[論文レビュー] Hierarchical Formation Of An Intermediate Mass Black Hole Via Seven Mergers: Implications For GW190521

Oliver Anagnostou, Michele Trenti+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 13被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、GW190521重力波イベントで観測された中質量ブラックホール（IMBH）が、密度の高い星団内で7回の連続する二重ブラックホール合体によって形成されたと提案している。N体シミュレーションを用いて、このような形成経路が6ギガ年間で約97.8 M⊙のIMBHを生成できることを示し、一般的な球状星団では1%〜10%の確率であることが判明した。これはGW190521から得られた観測合体率と整合的である。

ABSTRACT

The gravitational wave event GW190521 involves the merger of two black holes of $\sim 85 ext{M}_\odot$ and $\sim 66 ext{M}_\odot$ forming an intermediate-mass black hole (IMBH) of mass $\sim 142 ext{M}_\odot$. Both progenitors are challenging to explain within standard stellar evolution as they belong to the upper black-hole mass gap. We propose a dynamical formation pathway for this IMBH based on multiple hierarchical mergers of progenitors in the core of a dense star cluster. We identified such scenarios from analysis of a set of 58 direct N-body simulations using NBODY6-gpu. In one of our canonical runs aimed at describing the evolution of a star cluster with $N=10^5$ stars and typical globular cluster properties, we observe a stellar black hole undergoing a chain of seven binary mergers in 6 Gyr, attaining a final mass of $97.8 ext{M}_\odot$. We discuss the dynamical interactions that lead to the final IMBH product, as well as the evolution of the black hole population in that simulation. From the analysis of all simulations in our dataset we observe additional smaller chains, tentatively inferring that an IMBH formation through chain mergers is expected in the lifetime of a typical (i.e. median mass) globular cluster with probability $0.01 \lesssim p \lesssim 0.1$. Using this order-of-magnitude estimate and comoving star formation rates we show our results are broadly consistent with the mean rate implied by GW190521, and we discuss implications for future gravitational wave detections of IMBHs.

研究の動機と目的

• GW190521重力波イベントで観測された中質量ブラックホール（IMBH）の形成を説明すること。特に、上部質量ギャップに位置するブラックホールを含むものである。
• 密度の高い恒星環境における階層的合体が、GW190521の観測特性と整合するIMBHを生成できるかどうかを調査すること。
• N体シミュレーションを用いて、一般的な球状星団におけるそのようなIMBH形成経路の確率を定量化すること。
• そのような経路による予測合体率が、GW190521から推定された観測率と整合的かどうかを評価すること。

提案手法

• N = 10^5個の星と球状星団に類似した性質を持つ星団の動的進化をモデル化するため、NBODY6-gpuコードを用いて58回の直接N体シミュレーションを実施した。
• 星々のブラックホールの形成と合体歴を追跡し、中質量ブラックホールの成長に繋がる二重合体の連鎖的合体に注目した。
• 1つのシミュレーションで、6 Gyrにわたり7回の連続する二重合体が発生し、最終的に97.8 M⊙の質量に達した「代表的」なシミュレーションを特定した。
• 合体連鎖を長期間にわたり可能にする要因として、星団コア内の交換衝突や二重星の硬化といった動的相互作用を分析した。
• 全シミュレーションデータセットから、そのような連鎖的合体経路によるIMBH形成確率を推定し、一般的な球状星団では0.01 ≲ p ≲ 0.1の範囲となった。
• 推定された形成確率を共動的星形成率と組み合わせることで、GW190521観測と整合的な合体率を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 密度の高い星団内で7回の二重ブラックホール合体の階層的連鎖が、GW190521観測と整合する中質量ブラックホールを生成できるか？
• RQ2 星団コア内でのどのような動的メカニズムが、数十億年というスケールでブラックホールが複数回にわたる連続合体を経験可能にするか？
• RQ3 通常の球状星団において、その生涯にわたってそのような合体連鎖がIMBHを形成する確率はどの程度か？
• RQ4 この経路によるIMBH合体率の予測値は、GW190521イベントから推定された率と整合的か？
• RQ5 最終ブラックホールの性質（質量、形成スケールなど）は、観測されたGW190521パラメータとどのように比較できるか？

主な発見

• 代表的シミュレーションでは、密度の高い星団内に存在する1つのブラックホールが6 Gyrにわたり7回の連続する二重合体を経験し、初期質量から最終的に97.8 M⊙に成長した。
• 97.8 M⊙の最終質量は、GW190521で推定された約142 M⊙の残渣質量と整合的であり、初期の前身天体が上部ブラックホール質量ギャップに位置するという点を除けば、妥当な形成経路である可能性を示している。
• シミュレーションでは、星団コア内での交換衝突や二重星の硬化といった動的相互作用が、長期間にわたる合体連鎖を可能にしていることが示された。
• 全58回のシミュレーションデータセットから、そのような連鎖的合体経路によるIMBH形成確率は、0.01 ≲ p ≲ 0.1と推定された。
• 共動的星形成率と組み合わせることで、この形成確率はGW190521観測から推定される合体率と広く整合的であることがわかった。
• 本研究は、密度の高い恒星系内での階層的合体が、中質量ブラックホールの形成にとって現実的で、かつ一般的な経路である可能性を示唆しており、将来的な重力波観測における検出可能性に影響を与える可能性がある。