[論文レビュー] Observational evidence for stellar mass binary black holes and their coalescence rate

T. Bulik, Krzysztof Belczyński|ArXiv.org|Jul 31, 2009

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、WC星から降着している質量の大きなブラックホールであるIC10 X-1を用いて、星質量二重ブラックホール（BBH）の観測的証拠を提示し、合体率を0.06 Mpc⁻³ Myr⁻¹、LIGO/Virgoでの検出率を0.69 yr⁻¹と推定している。これは、二重中性子星合体よりもBBH合体が最初に重力波源として検出される可能性が高いことを示唆している。

ABSTRACT

We review the formation scenarios for binary black holes, and show that their coalescence rate depends very strongly on the outcome of the second mass transfer. However, the observations of IC10 X-1, an binary with a massive black hole accreting from a Wolf-Rayet star proves that this mass transfer can be stable. We analyze the future evolution of IC10 X-1 and show that it is very likely to form a binary black hole system merging in a few Gyrs. We estimate the coalescence rate density of such systems to be $ 0.06 { m Mpc}^{-3} { m Myr}^{-1}$, and the detection rate for the current LIGO/VIRGO of $ 0.69 { m yr}^{-1} $, a much higher value than the expected double neutron star rate. Thus the first detection of a gravitational wave source is likely to be a coalescence of a binary black hole.

研究の動機と目的

• 観測的制約に基づいて、星質量二重ブラックホール（BBH）の形成および合体率を評価すること。
• IC10 X-1のような質量の大きな連星系における安定な質量移動が、共通エンvelope（CE）段階の課題を克服してBBHの形成に至るかどうかを調査すること。
• IC10 X-1系をプロトタイプとして用いて、BBHの検出可能な合体率を推定し、LIGO/Virgoでの検出可能性を示唆すること。
• BBHの予想される検出率と二重中性子星（DNS）のそれとを比較し、どちらが最初に検出される可能性が高いかを評価すること。

提案手法

• 質量の大きなブラックホールがWC星と連星を形成するIC10 X-1の進化経路を分析し、BBH形成の可能性を評価する。
• StarTrack二重星集団合成コードを用いて、質量の大きな連星系の進化をモデル化し、第二の質量移動および共通エンvelope段階を通過する可能性を評価する。
• IC10 X-1から将来形成されるBBHのチルプ質量を約14 M⊙と推定し、重力波探査機の検出範囲を決定する。
• 検出可能距離のスケーリング則 D ∝ M̃^{5/6}（M̃はチルプ質量）を適用し、有効な検出体積を計算する。
• 観測された体積とWC星段階の寿命に基づいて、保守的な調査限界を仮定して、合体率密度を推定する。
• 信号対雑音比と検出範囲を基準として、LIGO/Virgo感度に応じて検出率をスケーリングし、標準的なDNS系（1.4 M⊙ + 1.4 M⊙）を基準とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IC10 X-1のような質量の大きな連星系における安定な質量移動は、二重ブラックホール系の形成に至る可能性があるか？
• RQ2 IC10 X-1系に基づいて、星質量二重ブラックホールの予想される合体率密度はどの程度か？
• RQ3 現在のLIGO/Virgo感度帯において、BBH合体の検出率は二重中性子星系のそれと比べてどうか？
• RQ4 特に風による質量損失とチルプ質量に関して、予測されるBBH合体率に影響を及げる主な不確実性要因は何か？

主な発見

• WC星から降着している質量の大きなブラックホールであるIC10 X-1は、質量の大きな連星系において安定な質量移動が可能である観測的証拠を提供している。
• この系は数ギガ年後のスケールで二重ブラックホールに進化すると予想され、有効な形成経路であることが確認された。
• このようなBBH系の合体率密度の推定値は0.06 Mpc⁻³ Myr⁻¹であり、予想される二重中性子星のレートよりも顕著に高い。
• 現在のLIGO/Virgo機器における予想される検出率は0.69 yr⁻¹であり、DNS合体よりもBBH合体が最初に検出される可能性が高いことを示している。
• IC10 X-1から形成される将来のBBHのチルプ質量は約14 M⊙と推定され、これは典型的なDNS系と比較して検出範囲を約7.8倍に拡大する。
• WR星の寿命、検出可能距離、天の川カバー範囲に関する保守的仮定に基づいて、レート推定値は下限としての保守的見積もりとされる。