[論文レビュー] The final plunge of spinning binary black holes

John Baker, Manuela Campanelli+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2003

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、内側安定円軌道（ISCO）に近い状態から最終的なカー核へ至る回転する二重ブラックホール合体の完全数値シミュレーションを提示しており、最終ブラックホールのスピンパラメータが $ a/M \approx 0.72 + 0.32(s/m_H) $ であることを示しており、これは中程度のスピンを持つ場合でさえ、最大スピンを持つブラックホールが得られにくいことを示している。波形は非回転系のケースと同様の定性的な形状を保ち、回転する二重ブラックホールの近似モデルとして質量スケーリング法が有効であることを支持する。

ABSTRACT

We present the results of the full numerical computation of the gravitational radiation generated by the evolution of a series of binary black hole configurations with aligned and counter-aligned spins, $s$, with the orbital angular momentum from near the innermost stable circular orbit (ISCO) down to the final single rotating black hole. While nonspinning binary black holes lead to a final Kerr hole with rotation parameter $a/M\\approx0.72$, for the moderate spinning holes studied in detail here the remnant Kerr black formed at the end of an inspiral process have a rotation parameter $a/M\\approx0.72+0.32(s/m_H)$, suggesting it is difficult (though not excluded) to end up with near maximally rotating holes from such scenarios. The resulting waveforms have still the same qualitative simple looking of the nonspinning binaries, supporting the idea that a total mass rescaling of the latter waveforms can produce an approximate description for the spinning binary case.

研究の動機と目的

• アラインされたおよび反対アラインされたスピンが合体後のブラックホールの最終スピンに与える影響を調査すること。
• 回転する二重ブラックホールから発生する重力波形が、非回転系のケースで見られる単純な構造を保っているかどうかを特定すること。
• 中程度のスピンを持つ二重合体から、近似的に最大スピンを持つブラックホールが形成可能かどうかを評価すること。
• 非回転系の波形を質量スケーリングすることで回転する二重ブラックホールの波形を近似する手法の妥当性を評価すること。

提案手法

• ISCOに近い状態から最終的な単一ブラックホールに至るまで、完全数値相対論的シミュレーションが実施された。
• スピンの大きさとアラインメントが異なる回転する二重ブラックホール構成を、最終カー準拠パラメータを計算するために発展させた。
• 最終ブラックホールのスピンパラメータ $ a/M $ を初期スピン $ s $ と全質量 $ m_H $ の関数として計算した。
• 波形の形状を回転する系と非回転系のケースとで比較し、構造的類似性を評価した。
• シミュレーションは、落下段階およびリングダウン段階における重力放射出力の変化を追跡した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中程度のアラインまたは反対アラインスピンを持つ二重ブラックホールが合体した場合、残渣ブラックホールの最終スピンパラメータはどのようになるか？
• RQ2 回転する二重ブラックホールから発生する重力波形は、非回転系の波形と形状的にどのように類似しているか？
• RQ3 回転する二重ブラックホールの波形は、全質量に基づいて非回転系波形をスケーリングすることで近似可能か？
• RQ4 中程度の初期スピンを持つ二重合体から、近似的に最大スピンを持つブラックホールを形成することは可能か？

主な発見

• 合体によって形成される最終カー黑洞のスピンパラメータは $ a/M \approx 0.72 + 0.32(s/m_H) $ であり、初期スピンに強く依存していることが示された。
• 中程度の初期スピンを持つ場合でさえ、最終ブラックホールは最大スピンに到達することは稀であり、このような合体が近似的に最大スピンを持つカー黑洞を生成する可能性は低いことが示唆された。
• 回転する二重ブラックホールから発生する重力波形は、非回転系の波形と同様の定性的な形状を保っていることから、構造的類似性が裏付けられた。
• 波形の形状的類似性から、質量スケーリングされた非回転系波形が回転する二重ブラックホール波形の合理的な近似として利用可能であることが示唆された。