[論文レビュー] Mass and effective spin distributions of binary black hole events: Evidence for a population of hierarchical black hole mergers in active galactic nuclei disks

Yuan-Zhu Wang, Yi-Zhong Fan+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、GWTC-1およびGWTC-2.1のLIGO/Virgo二重ブラックホール（BBH）イベントを分析し、質量に依存する有効スピン（$\chi_{\rm eff}$）分布を同定した。$50M_\odot$付近に遷移を示し、$\sim 100M_\odot$まで延びるバンプ型の主質量関数と$\chi_{\rm eff} \sim 0.3$を示すサブポピュレーションを特定した。これは活性銀河核（AGN）ディスク内でのハイアーチカルマージャーと整合的であり、そのような環境におけるマージンレートは$1.7~{\rm Gpc}^{-3}{\rm yr}^{-1}$であると示唆している。

ABSTRACT

The origins of the coalescing binary black holes (BBHs) detected by the advanced LIGO/Virgo are still in debate and clues may present in the mass and effective spin ($χ_{ m eff}$) distributions of these merger events. Here we analyze the GWTC-1 and GWTC-2.1 BBH events, and find evidence for a primary mass dependent $χ_{ m eff}$ distribution. Below (above) the mass of $\sim 50M_\odot$, a nearly zero (relatively high) effective spin is typical. In the joint analysis of the primary mass and $χ_{ m eff}$ distributions, we identify a sub-population of BBHs characterized by both a bump-like primary mass distribution extending to $\sim 100M_\odot$ and a relatively high $χ_{ m eff}\sim 0.3$, consistent with the expectation for the $\geq 2$g merger events in the disks of active galactic nuclei (AGNs). Our results suggest that the merger rate in AGN disks is around $1.7~{ m Gpc}^{-3}{ m yr}^{-1}$.

研究の動機と目的

• LIGO/Virgoが検出した二重ブラックホール（BBH）マージャーの天体物理学的起源を、質量およびスピン分布を用いて調査すること。
• 観測されたスピンおよび質量の特徴が、特にハイアーチカルマージャーを含む、明確に異なる形成チャネルを示しているかどうかを特定すること。
• 高有効スピンおよび拡張された質量関数を示すサブポピュレーションが、AGNディスク内での2世代目マージャーの予測と一致するかどうかをテストすること。
• 観測された分布に基づいて、AGNディスク内でのハイアーチカルBBHマージンレートを推定すること。

提案手法

• 2成分モデルを構築：1つのサブポピュレーションは星形成起源のBBH（$\chi_{\rm eff}$がガウス分布と仮定）で、もう1つはハイアーチカルマージャー（特徴的な$\chi_{\rm eff}$分布）である。
• サブポピュレーションの区別は主質量$m_1$に基づき、自由パラメータ$m_{\rm d} \sim 50M_\odot$が低スピンおよび高スピン領域を分離する。
• 主質量分布は、滑らかな星形成起源成分と、2世代以上マージャーのためのバンプ型成分の混合としてモデル化される。
• ハイアーチカルマージャーの$\chi_{\rm eff}$分布は、AGNディスクシミュレーション（例：Yang et al. 2019）からの理論的予測を用いてモデル化され、軌道の整合性を仮定する。
• 質量およびスピン分布の同時尤度解析を用いて、GWTC-1およびGWTC-2.1のデータにモデルを適合させる。
• AGNディスク内でのマージンレートは、Yangら（2019）の理論的$\geq 2$世代マージャー率を、非星形成起源イベントの観測頻度に一致するようにスケーリングして推定される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LIGO/Virgo BBHイベントにおいて、質量依存の有効スピン分布の証拠はあるか？
• RQ2 観測された質量およびスピン分布は、AGNディスク内でのハイアーチカルマージャーのサブポピュレーションを支持するか？
• RQ3 $\sim 100M_\odot$まで延びるバンプ型の主質量分布と$\chi_{\rm eff} \sim 0.3$は、AGNディスク内での$\geq 2$世代マージャーで説明可能か？
• RQ4 現在のデータに基づいて、AGNディスク内でのハイアーチカルBBHマージンレートはどの程度推定されるか？

主な発見

• $m_1 \sim 50M_\odot$で$\chi_{\rm eff}$に明確な遷移が観測され、それ以下の質量ではスピンが無視できるほど小さく、それ以上の質量では$\chi_{\rm eff} \sim 0.3$となる。
• 非星形成起源サブポピュレーションは、$\sim 100M_\odot$付近にピークを持つバンプ型の主質量分布を示し、AGNディスク内での$\geq 2$世代マージャーと整合的である。
• AGNディスク内でのハイアーチカルマージャー由来BBHマージャーの割合は約6%であり、マージンレートは$1.7^{+0.9}_{-0.6}~{\rm Gpc}^{-3}{\rm yr}^{-1}$と推定される。
• Yangら（2019）の理論的$\geq 2$世代マージャーの質量および$\chi_{\rm eff}$分布は、正規化後に観測された非星形成成分とよく一致する。
• 星形成起源成分は、先行するAGNディスクモデルで用いられた初期質量関数とよく一致しており、理論的仮定との整合性を支持する。
• 結果から、パルス的ペア不安定性超新星（PPISN）の質量ギャップが物理的に意味を持つことが示唆され、$\sim 50M_\odot$で質量分布の急激な低下が観測される。