[論文レビュー] Hierarchical mergers in young, globular and nuclear star clusters: black hole masses and merger rates

Michela Mapelli, Filippo Santoliquido+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、若年性・球状・核性の星団における階層的ブラックホール合体を高速モンテカルロシミュレーションでモデル化し、核性星団が球状星団や若年星団よりも10–100倍も階層的合体を頻発させることを明らかにした。これは、高い脱出速度のおかげである。モデルは金属量が低い環境において、中間質量ブラックホールおよびペア不安定性質量ギャップ内のブラックホールの形成を予測しており、核性星団では最大で約1,000 M$_\odot$のブラックホールが形成される可能性がある。

ABSTRACT

Hierarchical mergers are one of the distinctive signatures of binary black hole (BBH) formation through dynamical evolution. Here, we present a fast Monte Carlo approach to simulate hierarchical mergers in nuclear star clusters (NSCs), globular clusters (GCs) and young star clusters (YSCs). Hierarchical mergers are orders of magnitude more common in NSCs than they are in both GCs and YSCs, because of the different escape velocity. In our fiducial model, the fraction of hierarchical mergers over all mergers is $\sim{}0.15$, $\sim{}6 imes{}10^{-3}$ and $\sim{}10^{-4}$ in NSCs, GCs and YSCs, respectively. The mass distribution of hierarchical BBHs strongly depends on the properties of first-generation BBHs, such as their progenitor's metallicity. In our fiducial model, we form black holes (BHs) with masses up to $\sim{}10^3$ M$_\odot$ in NSCs and up to $\sim{}10^2$ M$_\odot$ in both GCs and YSCs. When escape velocities in excess of 100 km s$^{-1}$ are considered, BHs with mass $>10^3$ M$_\odot$ are allowed to form in NSCs. Hierarchical mergers lead to the formation of BHs in the pair instability mass gap and intermediate-mass BHs (IMBHs), but only in metal-poor environments. In our fiducial model, at metallicity $Z\sim{}0.0002$, the fraction of BBH mergers with primary BH in the pair instability mass gap is $\sim{}7 imes{}10^{-3}$, $3 imes{}10^{-4}$ and $5 imes{}10^{-6}$ in NSCs, GCs and YSCs, respectively. In metal-poor NSCs, the fraction of BBH mergers with primary mass in the IMBH regime is $\sim{}5 imes{}10^{-4}$. The local BBH merger rate in our models ranges from $\sim{}10$ to $\sim{} 60$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$; hierarchical BBHs in NSCs account for $\sim{}10^{-2}- 0.2$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$, with a strong upper limit of $\sim{}10$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$.

研究の動機と目的

• 若年性・球状・核性星団における階層的ブラックホール合体の頻度と特徴を調査すること。
• 星団の脱出速度と前身星の金属量が、階層的合体を通じた質量ブラックホール形成に与える影響を特定すること。
• 異なる星団タイプにおける中間質量ブラックホールおよびペア不安定性質量ギャップブラックホール形成レートを定量化すること。
• 階層的合体が局所的な二重ブラックホール合体率密度に与える寄与を評価すること。
• 繰り返し合体によって極めて質量の大きなブラックホール（>1000 M$_\odot$）が形成される条件を調査すること。

提案手法

• 星団の動的進化、特に二重ブラックホールの形成と合体をモデル化するための高速モンテカルロシミュレーションフレームワークを構築した。
• ブラックホールの保持率や階層的合体の可能性に大きく影響する、星団固有の脱出速度をモデルに組み込んだ。
• 初期質量関数と前身星の金属量に基づいてブラックホール質量を計算し、金属量（Z ~ 0.0002）を明示的に変化させ、その影響を評価した。
• 一次生成の二重ブラックホールの形成とその後の階層的合体、特に繰り返し合体による質量増加を追跡した。
• 体積および赤方偏移あたりの合体レートを計算し、観測データとの比較のため、出力はGpc$^{-3}$ yr$^{-1}$単位で報告した。
• 高い脱出速度（>100 km s$^{-1}$）が、超質量ブラックホール（>1000 M$_\odot$）の形成に与える影響を特に評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 核性星団における階層的合体レートは、球状星団や若年星団と比べてどのように異なるか？
• RQ2 脱出速度が、階層的合体による質量ブラックホール形成を可能にする役割を果たすメカニズムは何か？
• RQ3 階層的合体が中間質量ブラックホールおよびペア不安定性質量ギャップ内のブラックホール形成に果たす寄与は何か？
• RQ4 前身星の金属量が、階層的二重ブラックホールの質量分布と合体レートに与える影響は何か？
• RQ5 異なる星団環境下での局所的階層的二重ブラックホール合体レートは予測されるか？

主な発見

• 核性星団では、高い脱出速度のおかげで、球状星団や若年星団よりも階層的合体が約10–100倍頻発する。
• 基準モデルでは、核性星団における階層的合体は全合体の約15％を占め、球状星団では約0.6％、若年星団では約0.01％である。
• 核性星団では最大で約1,000 M$_\odot$のブラックホールが形成されるが、球状星団や若年星団では最大で約100 M$_\odot$のブラックホールにとどまる。
• 脱出速度が100 km s$^{-1}$を超えると、核性星団では1,000 M$_\odot$を超えるブラックホールが形成可能となり、極めて質量の大きなブラックホールの形成が可能になる。
• 金属量が低い環境（Z ~ 0.0002）では、核性星団における二重ブラックホール合体の約0.7％が、主ブラックホールがペア不安定性質量ギャップ内にある。
• モデルにおける局所的な二重ブラックホール合体率は、約10から約60 Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$の範囲であり、核性星団では階層的合体が約0.01–0.2 Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$を占める。