[論文レビュー] The origin of low spin of black holes in LIGO/Virgo mergers

K. Belczynski, Jakub Klencki+16 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 19被引用数 55

ひとこと要約

この論文は、LIGO/Virgoの連星ブラックホール合体、特にGW170104において観測された低効果的スピンが、質量星における角運動量輸送がやや効率的である場合、分離した連星進化によって説明可能であると提唱している。その結果、ブラックホールの初生スピンが低くなる。しかし、このモデルは観測されたものよりも高い高スピン合体の割合を予測しており、質量星における角運動量輸送がモデルで想定されたよりもさらに効率的でなければならないことを示唆しており、その結果、ブラックホールはほぼゼロスピンで生まれる。

ABSTRACT

LIGO/Virgo have reported six binary black hole (BH-BH) mergers. The effective spins of all of them are clustered around Xeff=0. However, the effective spin of one of them, GW170104, has an 82% probability of being negative, which would indicate a significant spin-orbit misalignment and seemingly supporting dynamical formation over isolated binary evolution. We show (i) as a proof-of-principle case, that GW170104 could have been formed through isolated binary evolution, and (ii) that the LIGO/Virgo measurements inform about, thus far unconstrained, angular momentum transport in massive stars. Massive stars can have inner transport of angular momentum and their strong winds may carry away substantial angular momentum, affecting the natal spin of the BHs created at the end of their lives. We present a physically motivated model for BH natal spins based on moderately efficient angular momentum transport. With this model we can explain the low effective spin of GW170104 in the context of isolated binary evolution. However, our predicted effective spin distribution of BH-BH mergers, showing a large fraction of high effective spins, is not consistent with LIGO/Virgo observations. If the effective spins of BHs observed by LIGO/Virgo continue to be small, it will indicate that angular momentum transport in massive stars is more efficient than adopted in our model and that BHs found in BH-BH mergers are born with low spins (a_spin=0).

研究の動機と目的

• 分離した連星進化が、LIGO/Virgoの連星ブラックホール合体で観測された低効果的スピン、特にGW170104を説明できるかどうかを調査すること。
• 質量星における角運動量輸送の役割が、星の進化の最終段階で形成されるブラックホールの初生スピンをどのように決定するかを評価すること。
• 観測された低効果的スピン分布と、分離した連星進化の理論的モデルを一致させること。
• LIGO/Virgoの観測に基づいて、質量星における角運動量輸送の効率を制約すること。

提案手法

• 質量星における角運動量輸送が中程度に効率的であることを前提に、ブラックホールの初生スピンを物理的に妥当なモデルとして構築した。
• このモデルを用いて分離した連星進化をシミュレートし、連星ブラックホール合体の効果的スピン分布を予測した。
• LIGO/Virgoの観測された効果的スピン分布（GW170104の負のスピン確率82%を含む）を用いて、モデルの整合性を検証した。
• 予測された効果的スピン分布と実際のLIGO/Virgo観測結果を比較し、角運動量輸送の効率に関する制約を導いた。
• 星風による質量損失と内部角運動量輸送を、初生ブラックホールスピンを決定づける主要因として組み込んだ。
• モデルの予測が、効果的スピンがゼロ周辺に強くクラスタリングしている観測結果と一致するかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分離した連星進化は、GW170104や他のLIGO/Virgoの連星ブラックホール合体で観測された低効果的スピンを再現できるか？
• RQ2 質量星における角運動量輸送の効率が、コア崩壊から形成されるブラックホールの初生スピンにどのように影響するか？
• RQ3 LIGO/Virgoの観測は、質量星における角運動量輸送の効率にどのような制約を課すか？
• RQ4 理論的期待とは対照的に、なぜ連星ブラックホール合体の効果的スピン分布がゼロ周辺に強くクラスタリングしているのか？
• RQ5 観測されたスピン分布は、連星合体におけるブラックホールがほぼゼロスピンで生まれるということを示唆しているか？

主な発見

• 中程度に効率的な角運動量輸送を持つモデルは、GW170104の負の効果的スピンを分離した連星進化の結果として説明可能である。
• このモデルが予測する効果的スピン分布には、高スピン合体の割合が大きく含まれており、LIGO/Virgoの観測結果と整合しない。
• 観測された低効果的スピン分布は、質量星における角運動量輸送がモデルで想定されたよりもさらに効率的でなければならないことを示唆している。
• もし観測されたスピン分布が低いままであるならば、連星合体におけるブラックホールはほぼゼロスピン（a_spin ≈ 0）で生まれると示唆される。
• LIGO/Virgoの観測は、これまで未制約であった質量星における角運動量輸送の物理的メカニズムに、新たな制約をもたらしている。