[論文レビュー] Signatures of spin precession and nutation in isolated black-hole binaries

Nathan Steinle, Michael Kesden|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 59被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、5つの幾何的進動パラメータを用いて、孤立した二重ブラックホール（BBH）におけるスピンの進動とノードーションを定量的に評価し、それらを天体物理学的形成経路と関連付けている。ノードーションはスピン-スピン結合によって駆動され、星のコア-エンVELOップ結合が最小限である場合に顕著になる。これは、コア-エンVELOップ結合が最小限の孤立した二重形成の『決定的証拠』（smoking gun）となる可能性がある。

ABSTRACT

The spin precession of binary black holes (BBHs) that originate from isolated high-mass binary stars is determined by the interplay of phenomena such as tides, winds, accretion, common-envelope evolution, natal kicks, and stellar core-envelope coupling. In previous work, we identified regions of the parameter space that may produce BBHs with large misalignments from natal kicks and high spin magnitudes from three mechanisms - tides, accretion, or inheritance via minimal core-envelope coupling. Here, we explore the spin precession of such BBHs using five parameters that describe the amplitude and frequency with which the orbital angular momentum precesses and nutates about the total angular momentum, modulating the gravitational-wave emission. Precession is generally possible for sufficiently strong natal kicks provided at least one of the black holes is spinning. Nutation is a consequence of spin-spin coupling and depends on the three spin-up mechanisms. Tidal synchronization can leave a distinct correlation between the aligned effective spin and the nutation frequency, but does not produce large nutations. When a black hole accretes $\gtrsim 20\%$ of its companion's envelope, the precession frequency and amplitude are large. A much smaller amount of accretion, e.g., $\approx 2\%$, is needed to provide a large precession frequency and amplitude when the accretor is a Wolf-Rayet (WR) star. The inheritance of high natal WR spins ($\gtrsim 5\%$ of their maximum breakup value) via minimal core-envelope coupling is the most promising mechanism for producing nutating BBHs, implying that a measurement of nutation from gravitational-wave observations may suggest isolated-binary origin with minimal core-envelope coupling.

研究の動機と目的

• 孤立した二重星進化において、二重ブラックホールに顕著なスピンの進動とノードーションを生じさせる天体物理学的経路を特定すること。
• ナタルキックの強さ、降着率、初期スピンといった初期二重星パラメータが、進動およびノードーションの振幅と周波数にどのように依存するかを定量化すること。
• 重力波観測によるノードーションが、孤立した二重形成と動的起源を区別できるかどうかを検証すること。
• ノードーションが、孤立したBBHにおける最小限のコア-エンVELOップ結合の強力な指標であることを確立し、形成経路を判別するための新たな診断手法を提供すること。

提案手法

• 有効ポテンシャル形式から導出された5つの幾何的進動パラメータ（進動振幅⟨θL⟩、進動周波数⟨ΩL⟩、ノードーション振幅∆θL、ノードーション周波数ω、進動周波数の変動∆ΩL）を用いる。
• 安定質量転送（SMT）、共通エンVELOップ進化（CEE）、および超新星のナタルキックを含む、4つの進化経路を用いてBBHをモデル化し、初期条件を変化させる。
• 潮汐同期化、同伴星のエンVELOップの最大20％の降着、およびWolf-Rayet星のスピンの継承（回転破壊限界のfB倍）の3つのメカニズムを用いてスピン進化をモデル化する。
• ZAMS質量、分離距離、金属量、ナタルキック速度分散σを用いて、孤立した二重星進化をシミュレートし、スピンおよび軌道角運動量の進化を追跡する。
• 後ニュートン近似を用いて、fB、fa（降着率）、σ、aZAMS（初期分離距離）の各パラメータが進動およびノードーションパラメータに与える影響を分析する。
• 異なる経路間の結果を比較し、特にコア-エンVELOップ結合が最小限の条件下で、大きな進動およびノードーションを生じさせるメカニズムを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの孤立した二重星形成経路が、二重ブラックホールに顕著なスピンの進動とノードーションを生じさせるか？
• RQ2 ナタルキックの強さと降着率が、進動およびノードーションの振幅と周波数にどのように影響するか？
• RQ3 ノードーションが、孤立したBBHにおける最小限のコア-エンVELOップ結合を特徴付ける一意の診断指標として機能できるか？
• RQ4 潮汐同期化と降着のどちらが、進動系を生じさせる主要因となるか？
• RQ5 5つの進動パラメータが、WRスピンの継承や降着といった天体物理学的形成メカニズムとどのように相関するか？

主な発見

• ノードーションは、星の角運動量輸送が非効率である場合にのみ顕著に現れるため、最小限のコア-エンVELOップ結合の強力な指標である。
• 同伴星のエンVELOップの20％以上を降着すると、大きな進動周波数と振幅が生じるが、Wolf-Rayet星から約2％の降着でも、同様に大きな進動周波数と振幅が得られる。
• 潮汐同期化は、有効スピンとノードーション周波数の明確な相関関係を生じるが、大きなノードーションを生成しない。
• 最小限のコア-エンVELOップ結合を介して高スピンのナタルWRスピン（回転破壊限界の5％以上）を継承することが、観測可能なノードーションを示すBBHを生成する最も有望なメカニズムである。
• 十分に強いナタルキックが存在する限り、少なくとも1つのブラックホールがスピンしている場合、進動は可能であり、進動振幅および周波数はキック強度とスピンの大きさに比例する。
• ノードーション振幅および周波数は、時間変化する全スピン大きさと強く相関しており、これはSが保存されない場合にスピン-スピン結合がノードーションを引き起こすことを確認している。