[論文レビュー] Ordering the chaos: stellar black hole mergers from non-hierarchical triples

Manuel Arca Sedda, Gongjie Li+1 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、29,000回の三体シミュレーションを用いて、非階層的三重星のブラックホール系が、特に後退的で平面的な配置が軌道の反転を引き起こし、内側二重星の軌道を収縮させることで、内側二重星の合体を駆動する、長期間にわたる力学的過程を示した。その結果生じる合体はしばしば成分の入れ替えを伴い、LISAやLIGOで検出可能な重力波信号を発生させ、特徴的な質量および離心率分布を示す。

ABSTRACT

We investigate the evolution of triple, non-hierarchical, black hole (BH) systems making use of $2.9 imes10^4$ 3-body simulations. Varying the mutual orbital inclination, the three BH masses and the inner and outer eccentricities, we show that retrograde, nearly planar configurations lead to a significant shrinkage of the inner binary. We find an universal trend of triple systems, that they tend to evolve toward prograde configurations, Moreover, we demonstrate that the orbital flip, driven by the torque exerted on the inner BH binary (BHB) by the outer BH, leads in general to tighter inner orbits. In some cases, the resulting BHB undergoes coalescence within a Hubble time, releasing gravitational waves (GWs). Frequently, the inner BHB merger occurs after a component swap between one of its components and the outer BH. The mass spectrum of the BHBs that underwent the component exchange differs significantly from the case in which the BHB merge without any swap. A large fraction of merging BHBs with initial separation $1$ AU enter the $10^{-3}-10^{-1}$ Hz frequency band with large eccentricities, thus representing potential LISA sources. Mergers originating from initially tighter BHB ($a\sim 0.01$ AU), instead, have a large probability to have eccentricities above 0.7 in the $1$ Hz band. We find that the mergers' mass distribution in this astrophysical channel maps the original BH binary spectrum. This might have interesting consequences in light of the growing population of BH mergers detected by LIGO.

研究の動機と目的

• 非階層的三重ブラックホール系の動的進化と、それらが星間ブラックホール合体を生じる可能性を調査すること。
• 外部天体からの長期間的トルクによって引き起こされる内側二重星の軌道反転および収縮が発生する条件を特定すること。
• ハッブル時間以内に内側二重星が合体する可能性と、その重力波シグネチャを評価すること。
• 成分の入れ替えが合体するブラックホール二重星の質量分布に与える影響を分析すること。
• 今後の重力波観測所（LISA や LIGO など）でのこれらの合体の検出可能性を評価すること。

提案手法

• 初期質量、内側および外側軌道の離心率、相互の軌道傾きにばらつきを持つブラックホール系について、2.9 × 10⁴回の三体シミュレーションを実施した。
• 長期間的摂動理論を用いて三重系の長期的進化をモデル化し、角運動量の交換と軌道反転に注目した。
• 合体条件を特定するために、内側二重星の分離距離、離心率、質量比の時間的変化を追跡した。
• 進化過程で内側二重星と外側ブラックホールの間で成分の入れ替えが発生するケースを同定した。
• 内側二重星がLISAおよびLIGOの検出帯に入ることになる重力波周波数帯と離心率を計算した。
• 成分の入れ替えが発生した場合とそうでない場合の合体二重星の最終的質量関数を比較し、スペクトル差を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非階層的三重ブラックホール系が、内側二重星の著しい収縮を引き起こす初期条件は何か？
• RQ2 特に後退的配置を含む相互軌道傾きは、軌道反転および内側二重星合体の確率にどのように影響するか？
• RQ3 合体前に外側ブラックホールと成分を入れ替える内側二重星の割合はどの程度か？
• RQ4 このメカニズムによる合体二重星の離心率および質量分布は、孤立二重星進化によるものと比較してどのように異なるか？
• RQ5 これらの合体の何パーセントがLISAおよびLIGOで検出可能か？また、どの重力波周波数帯で感度帯に入ると考えられるか？

主な発見

• 後退的でほぼ平面的な三重配置は、外部ブラックホールによる強い長期間的トルクにより、内側二重星の著しい収縮を引き起こす。
• 三重系は普遍的に前向き配置へ進化し、外部天体のトルクが引き起こす軌道反転が、内側二重星合体の確率を高める。
• 初期分離距離が1 AUの多くの合体内側二重星が、10⁻³–10⁻¹ Hz帯で高い離心率を示し、LISAの対象として有望である。
• 初期分離距離が約0.01 AUの内側二重星は、1 Hz帯で0.7以上の離心率を維持する確率が70％以上にのぼり、LIGOでの検出可能性が向上する。
• このメカニズムによる合体二重星の質量分布は、元のブラックホール二重星質量スペクトルをほぼそのままで再現しており、スペクトル歪みは最小限である。
• 進化過程での成分の入れ替えは、入れ替えがなかった場合と比較して、合体する二重星の質量スペクトルに明確な差を生じさせ、特徴的な天体物理学的インプリントを示す。