[論文レビュー] Stellar-mass black holes in young massive and open stellar clusters and their role in gravitational-wave generation IV: updated stellar-evolutionary and black hole spin models and comparisons with the LIGO-Virgo O1/O2 merger-event data

Sambaran Banerjee|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、最新のN体シミュレーションに、高度な星間進化、超新星、ブラックホールの初動速度モデル（特にペア不安定性および脈動ペア不安定性超新星を含む）を組み合わせることで、若い巨大星団（YMCs）および開放星団（OCs）が、LIGO-Virgo O1/O2観測と一致する二重ブラックホール（BBH）合体を自然に生成することを示した。モデルは、GW170729の高質量、有効スピン、最終スピン、およびGW190412の質量非対称性といった重要な合体特性を再現しており、特にブラックホールが合体後にスピンを増加する、または降着によってスピンを増す場合に顕著である。

ABSTRACT

I present a set of long-term, direct, relativistic many-body computations of model dense stellar clusters with up-to-date stellar-evolutionary, supernova (SN), and remnant natal-kick models, including pair instability and pulsation pair instability supernova (PSN and PPSN), using an updated version of NBODY7 N-body simulation program. The N-body model also includes stellar evolution-based natal spins of BHs and treatments of binary black hole (BBH) mergers based on numerical relativity. These, for the first time in a direct N-body simulation, allow for second-generation BBH mergers. The set of 65 evolutionary models have initial masses $10^4M_\odot-10^5M_\odot$, sizes 1 pc-3 pc, metallicity $0.0001-0.02$, with the massive stars in primordial binaries and they represent young massive clusters (YMC) and moderately massive open clusters (OC). Such models produce dynamically-paired BBH mergers that agree well with the observed masses, mass ratios, effective spin parameters, and final spins of the LVC O1/O2 merger events, provided BHs are born with low or no spin but spin up after undergoing a BBH merger or matter accretion onto it. In particular, the distinctly higher mass, effective spin parameter, and final spin of GW170729 merger event is naturally reproduced, as also the mass asymmetry of the O3 event GW190412. The computed models produce massive, $\sim100M_\odot$ BBH mergers with primary mass within the 'PSN gap' and also yield mergers involving remnants in the 'mass gap'. They also suggest that YMCs and OCs produce persistent, Local-Universe GW sources detectable by LISA. Such clusters are also capable of producing eccentric LIGO-Virgo mergers.

研究の動機と目的

• 最新の物理法則を用いた若い巨大星団および開放星団における星質量ブラックホールの形成と進化をモデル化すること。
• 密度の高い星団における動的過程が、LIGO-Virgo O1/O2観測と整合する二重ブラックホール合体をどのように生成するかを調査すること。
• 特に合体後のスピン上昇に注目し、有効スピンや最終スピンといった観測された合体特性を再現するブラックホールスピン進化の役割を評価すること。
• このような星団がLISAの周波数帯で持続的かつ検出可能な重力波源となり得るかを評価すること。
• 質量ギャップ領域に位置する偏心合体および残渣の生成可能性を検討すること。

提案手法

• 相対論的多体力学と直接的な星間進化統合を備えた最新のNBODY7 N体コードを採用した。
• 脈動ペア不安定性（PSN）およびペア不安定性（PPSN）超新星を含む、最新の超新星モデルを統合した。
• 星間進化に基づく初動スピンと数値相対論に基づく合体処理を統合した。
• N体フレームワーク内で、二世代目のBBH合体を直接シミュレーションすることで、初めてその追跡に成功した。
• 初期質量が10⁴〜10⁵ M⊙、サイズが1〜3 pc、金属量が0.0001〜0.02の65のモデルをシミュレーションした。
• 実際の星団ダイナミクスとブラックホール形成をモデル化するため、質量星に原始二重星を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最新の密度の高い星団のN体シミュレーションは、LIGO-Virgo O1/O2の二重ブラックホール合体の観測された質量、質量比、スピンパラメータを再現できるか？
• RQ2 ブラックホールの初動スピンと合体後のスピン上昇が、GW170729やGW190412といった観測事象との整合性にどのように影響するか？
• RQ3 若い巨大星団および開放星団は、質量ギャップまたはPSNギャップ領域のブラックホールを含む多数の合体を生成するか？
• RQ4 このような星団がLISA帯の周波数で持続的かつ検出可能な重力波源となり得るか？
• RQ5 これらの星団が、LIGO-Virgoで検出可能な偏心二重ブラックホール合体を生成する可能性はどの程度か？

主な発見

• ブラックホールが低スピンまたはスピンなしで生まれるが、合体後または降着によってスピンを増加させる場合、LIGO-Virgo O1/O2合体事象の観測された質量、質量比、有効スピンパラメータ、最終スピンがモデルで再現された。
• GW170729の高質量、有効スピン、最終スピンは、特に合体後のスピン上昇によって自然に再現された。
• GW190412 O3事象の質量非対称性は、モデルで成功裏に再現され、観測された階層的質量分布と整合的であることが示された。
• シミュレーションは、『PSNギャップ』領域に位置する主ブラックホールを有する高質量BBH合体と、『質量ギャップ』領域の残渣を生成しており、理論的期待と整合的である。
• モデルは、YMCsおよびOCsがLISA周波数帯で持続的かつ検出可能な重力波源を生成できることを予測している。
• 星団は偏心二重ブラックホール合体を生成する能力を有しており、これはLIGO-Virgoで観測可能である可能性を示している。