[論文レビュー] Massive Stellar Triples Leading to Sequential Binary Black-Hole Mergers in the Field

Alejandro Vigna-Gómez, Silvia Toonen+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 93被引用数 81

ひとこと要約

本論文は、分野に存在する巨大な三重星系が、最初の合体でブラックホールを形成し、その後に第三星のブラックホールと合体する順次二重ブラックホール合体を生じさせられることを提案している。人口合成モデルを用いて、このような系がペア不安定質量ギャップ内にブラックホールを生成し、効果的スピンが0.1より大きいものも得られることを示しており、クラスタ形成とは対照的な分野起源の代替機構を提示している。モデルはGW170729が三重起源の出来事である可能性を支持するが、スピンと質量の不一致から、GW190521はおそらくクラスタ内で形成されたと示唆している。

ABSTRACT

Stellar triples with massive stellar components are common, and can lead to sequential binary black-hole mergers. Here, we outline the evolution towards these sequential mergers, and explore these events in the context of gravitational-wave astronomy and the pair-instability mass gap. We find that binary black-hole mergers in the pair-instability mass gap can be of triple origin and therefore are not exclusively formed in dense dynamical environments. We discuss the sequential merger scenario in the context of the most massive gravitational-wave sources detected to date: GW170729 and GW190521. We propose that the progenitor of GW170729 is a low-metallicity field triple. We support the premise that GW190521 could not have been formed in the field. We conclude that triple stellar evolution is fundamental in the understanding of gravitational-wave sources, and likely, other energetic transientsas well.

研究の動機と目的

• 分離した巨大な恒星三重系が、ペア不安定質量ギャップ内のブラックホールを生じる順次二重ブラックホール合体を生じさせられるかどうかを調査すること。
• このような分野起源の合体が、GW170729 や GW190521 のような最も質量の大きな重力波源を説明できるかどうかを特定すること。
• ブラックホール合体のスピンおよび質量の特徴を用いて、分野起源の三重系起源とクラスタ起源を区別すること。
• 三重系が、高密度な動的環境を必要とせずに、ペア不安定質量ギャップを埋める役割を果たすかどうかを評価すること。

提案手法

• 円形で同一平面、前向きの軌道を持つ分離した階層的三重系をモデル化し、臨界質量比基準による動的安定性を仮定する。
• 合成的二重星人口合成（COMPAS）を用いて初期質量分布とブラックホール質量を生成し、質量損失、質量移動、化学的に均一な進化を組み込む。
• 重力波駆動型近接時間（Peters 1964）を適用し、内側二重ブラックホール合体後の外側二重系の合体 timescale を推定する。
• 放射された質量と反動キックによる合体後の軌道変化を計算し、高質量比内側二重系ではキックが無視可能であると仮定する。
• 最終合体の効果的スピン（χeff）を内側二重系および第三星ブラックホールのスピンと質量の関数として計算する。
• Riley ら（2020）のBBH合体率を用いて、z=0における順次合体率を推定し、R < 3 Gpc⁻³ yr⁻¹ を得る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分離した巨大な恒星三重系は、ペア不安定質量ギャップ内に到達するブラックホールを生じる順次二重ブラックホール合体を生じさせられるか？
• RQ2 このような分野起源の合体が、GW170729 や GW190521 の観測された質量およびスピンを説明できるか？
• RQ3 順次合体とクラスタ起源の合体を区別するためのスピンおよび質量の特徴は何か？
• RQ4 最初の合体による放射された質量および反動キックが、外側二重系の生存と進化に与える影響は何か？
• RQ5 分野の三重系から予想される順次合体率は何か？また、クラスタベースの形成と比較するとどうなるか？

主な発見

• モデルは、分野起源の順次合体がペア不安定質量ギャップ内のブラックホールを生成できることを予測しており、このような出来事は必ずしもクラスタ内で発生するわけではないという仮定に挑戦する。
• 質量ギャップを超える第三星ブラックホールを有する系で、χeff が 0.1 から 0.27 の間（赤色サブ領域A）のものは、分野三重系候補として妥当である。
• 質量ギャップ以下の第三星ブラックホールを有する系で、χeff が 0.38 から 0.58 の間（青色サブ領域B）のものも、分野三重系の進化と整合的である。
• GW170729 の効果的スピン（χeff ≈ 0.25）は、三重起源シナリオと整合的であり、特にサブ領域Bと一致しており、その分野三重系起源を支持する。
• GW190521 の高い質量とスピンは、モデルの予測と整合せず、この出来事がおそらくクラスタ内で形成されたと示唆する。
• 分野三重系からの順次合体率の推定値は R < 3 Gpc⁻³ yr⁻¹ であり、クラスタ内および分野の階層的三重系からの合体率と同等である。