[論文レビュー] The coalescence rates of double black holes

Krzysztof Belczyński, T. Bulik+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2011

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、人口合成モデルと実証的観測を用いて、二重ブラックホール（BH-BH）連星の凝集率を調査し、BH-BHシステムが重力波源として最も有望であることを明らかにした。混合金属量の局所的宇宙においては42.9 Myr⁻¹の合体率を予測し、LIGO/Virgoでは年間約5件の検出率を示す。IC10 X-1およびNGC300 X-1からの実証的データは、合体率が0.36⁺⁰.⁵⁰₋₀.²⁶ Mpc⁻³ Myr⁻¹であることを支持している。

ABSTRACT

We present the summary of the recent investigations of double black hole binaries in context of their formation and merger rates. In particular we discuss the spectrum of black hole masses, the formation scenarios in the local Universe and the estimates of detection rates for gravitational radiation detectors like LIGO and VIRGO. Our study is based on observed properties of known Galactic and extra-galactic stellar mass black holes and evolutionary predictions. We argue that the binary black holes are the most promising source of gravitational radiation.

研究の動機と目的

• 更新された星の進化モデルを用いて、局所的宇宙における二重ブラックホール連星の合体率を推定すること。
• 金属量と共通エンvelope進化がBH-BH形成および凝集率に与える影響を評価すること。
• X線連星IC10 X-1およびNGC300 X-1からの実証的観測と理論的予測を比較すること。
• 感度の異なる仮定のもとで、LIGO/VirgoによるBH-BH合体の検出可能性を評価すること。
• 理論的合体率を、銀河外ブラックホール連星からの観測的制約と一致させること。

提案手法

• 200万個の質量の大きな連星星を、さまざまな金属量でシミュレートするためにStarTrack人口合成コードを用いた。
• 超新星シミュレーション、コンパクト天体形成、質量損失率を含む更新された星の物理学を統合し、30–80 M☉のブラックホールを生成した。
• 共通エンvelope進化を2つの極端な仮定でモデル化した：楽観的（A、抑制なし）と悲観的（B、ヘルツシュプルギャップ星による抑制）。
• スローンデジタルスカイサーベイ（Sloan Digital Sky Survey）データに基づき、太陽系金属量100%または10%、および50–50の混合を仮定して、銀河系の合体率を計算した。
• 観測されたX線連星IC10 X-1およびNGC300 X-1の観測可能な体積とX線活性寿命を用いて、実証的合体率を推定した。
• 感度距離（例：初期LIGOでは18 Mpc）を用いて、合体率密度をLIGO/Virgoの検出率に変換した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属量が混合した環境を有するミルキーウェイ型銀河では、二重ブラックホール連星の期待される合体率はどの程度か？
• RQ2 共通エンベロープ進化モデル（楽観的対悲観的）が、BH-BHシステムの予測形成率に与える影響は何か？
• RQ3 金属量の低下が、二重ブラックホール連星の生存率および合体率に与える影響は何か？
• RQ4 観測されたX線連星（IC10 X-1やNGC300 X-1など）から推定されるBH-BH連星の実証的合体率はどの程度か？
• RQ5 感度限界を考慮した場合、理論的予測とLIGO/Virgoでの期待検出率はどの程度一致するか？

主な発見

• 金属量が混合した局所的宇宙（50%太陽系金属量、50%10%太陽系金属量）において、BH-BH連星の予測銀河系合体率は42.9 Myr⁻¹である。
• 楽観的共通エンベロープモデル（A）では、0.1 Z☉でBH-BH合体率が84.2 Myr⁻¹に達するが、悲観的モデル（B）では6.1 Myr⁻¹にまで低下する。
• LIGO/Virgoの感度距離が18 Mpcの場合、現実的な50–50金属量混合のもとで、BH-BH連星の検出率は4.9 yr⁻¹である。
• IC10 X-1およびNGC300 X-1の実証的解析から、合体率密度は0.36⁺⁰.⁵⁰₋₀.²⁶ Mpc⁻³ Myr⁻¹であり、100 Mpcの範囲では年間約1件の検出に対応する。
• 理論的推定と実証的推定は強く一致しており、両者とも二重コンパクト天体の中でBH-BH連星が主要な重力波源であると示唆している。
• 楽観的モデル（A）は、現在のLIGO/Virgoデータではまだ除外できない。平均感度が低い（d₀,nsns ≈ 9 Mpc）ため、予想される検出率が8倍も低下するからである。