[論文レビュー] Merger rates of double neutron stars and stellar origin black holes: The Impact of Initial Conditions on Binary Evolution Predictions

S. E. de Mink, Krzysztof Belczyński|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、初期質量関数（IMF）、二重星の割合、軌道パラメータといった更新された初期条件が、二重中性子星（NS-NS）およびブラックホール二重星（BH-BH、BH-NS）の合体率予測に与える影響を調査する。観測された二重星分布に顕著な変化が見られるにもかかわらず、合体率は要因の2倍以内で安定しており、唯一の初期条件で顕著な変動を示すのはIMF（最大6倍の変動）である。これは、コンパクト対象の合体に関する集団合成予測が、現在の二重星パラメータの不確実性に対してほとんど感受性を示さないことを示している。

ABSTRACT

The initial mass function (IMF), binary fraction and distributions of binary parameters (mass ratios, separations and eccentricities) are indispensable input for simulations of stellar populations. It is often claimed that these are poorly constrained significantly affecting evolutionary predictions. Recently, dedicated observing campaigns provided new constraints on the initial conditions for massive stars. Findings include a larger close binary fraction and a stronger preference for very tight systems. We investigate the impact on the predicted merger rates of neutron stars and black holes. Despite the changes with previous assumptions, we only find an increase of less than a factor 2 (insignificant compared with evolutionary uncertainties of typically a factor 10-100). We further show that the uncertainties in the new initial binary properties do not significantly affect (within a factor of 2) our predictions of double compact object merger rates. An exception is the uncertainty in IMF (variations by a factor of 6 up and down). No significant changes in the distributions of final component masses, mass ratios, chirp masses and delay times are found. We conclude that the predictions are, for practical purposes, robust against uncertainties in the initial conditions concerning binary parameters with exception of the IMF. This eliminates an important layer of the many uncertain assumptions affecting the predictions of merger detection rates with the gravitational wave detectors aLIGO/aVirgo.

研究の動機と目的

• 最新の制約が得られた初期条件（二重星の割合、質量比、分離距離、離心率など）が、二重コンパクト対象の予測合体率に与える影響を評価すること。
• 質量の大きな二重星系に対する最近の観測的制約が、NS-NS、BH-NS、BH-BHの合体率に関する集団合成予測を顕著に変えるかどうかを特定すること。
• 新しい近接二重星系の観測データを踏まえて、どの初期条件の不確実性が合体率予測に最も強く影響を与えるかを特定すること。
• 重力波検出率モデル化におけるインパクトを踏まえ、二重星パラメータの不確実性に対する合体率予測の頑健性を評価すること。
• モデルの不確実性を低減するため、最終的な合体率推定値に最も顕著に影響を与える入力パラメータを同定すること。

提案手法

• 著者らは、最近の観測キャンペーンから得られた更新された初期条件に基づいて、質量の大きな二重星系の進化をモデル化する集団合成シミュレーションを用いる。
• 高い近接二重星割合や、密な系への強い傾向といった新しい観測的制約を、過去の仮定と比較する。
• シミュレーションは、主系列、質量転送、共通エンvelope進化、コンパクト対象形成の各段階を追跡する。
• 合体率は、星形成歴および初期質量関数（IMF）に従って、シミュレートされた合体数を正規化することで算出され、IMFの勾配にわたる感度テストが実施される。
• 最終的性質の分布（チルプ質量、成分質量、質量比、遅延時間）を、異なる初期条件セット間で比較する。
• 統計的分析により、各初期条件パラメータの不確実性が予測合体率に与える影響を定量化し、各要因の相対的寄与度に重点を置く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量の大きな二重星系に対する更新された観測的制約が、二重中性子星および恒星起源ブラックホールの合体率予測にどのように影響を与えるか？
• RQ2 初期二重星パラメータ（質量比、分離距離、離心率、二重星の割合）の不確実性が、コンパクト対象二重星の合体率予測にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 初期条件パラメータ（IMF、二重星の割合、軌道分布）の中で、合体率予測の不確実性を支配するのはどれか？
• RQ4 新しい近点分離距離の分布は、古いモデルと比較して顕著に異なる合体率をもたらすのか？（ただし、密な軌道への強い偏向があるにもかかわらず）
• RQ5 チルプ質量、成分質量、遅延時間の最終的分布は、初期二重星パラメータの変更に対して頑健であるか、それとも顕著に変化するか？

主な発見

• 特に高い近接二重星割合と、密な系への強い傾向が反映された更新された初期条件は、NS-NS、BH-NS、BH-BH系の予測合体率を2倍未満にしか増加させない。
• 最終的成分質量、質量比、チルプ質量、遅延時間の分布は、初期二重星パラメータの変更に対して感受性が低く、異なる入力仮定間で顕著なずれを示さない。
• 初期軌道分布の違いにもかかわらず、最初の質量転送の開始時における近点分離距離の分布は、旧モデルと新モデルでほぼ同一である。これは、相反する効果が相殺されるためである。
• 唯一、合体率に顕著な変化をもたらす初期条件は初期質量関数（IMF）であり、BH-BH合体の予測率で最大6倍、NS-NS系で最大3倍の変動が生じる。
• 新しい二重星パラメータ分布が合体率に与える小さな影響は、旧モデルが現在の観測で不適切とされる高い離心率の系に依存していたためであり、これは新モデルのより密な初期分布を相殺する要因となっていた。
• 本研究は、二重星パラメータの不確実性が合体率予測に顕著に影響しないことを結論づけ、重力波検出率モデル化における集団合成モデルの主要な不確実要因を低減した。