[論文レビュー] Which black hole formed first? Mass-ratio reversal in massive binary stars from gravitational-wave data

Matthew Mould, Davide Gerosa+2 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 68被引用数 41

ひとこと要約

本研究では、LIGO/Virgoの重力波データを用いて、質量比反転——初期に質量が小さかった星が後に重いブラックホールを形成する——が質量の大きな二重星系で発生したかどうかを調査する。非同一のスピン分布とスピンが無視できる程度の小さなスピンを持つ部分集団をモデル化することで、著者らはそのようなシステムに顕著な証拠を確認できず、質量比反転を経験した割合は99％信用区間で<32％に制限される。一方、χ ≈ 0.2–0.3に位置する強固なスピンピークは、現在の形成モデルでは説明がつかないまま残っている。

ABSTRACT

Population inference of gravitational-wave catalogues is a useful tool to translate observations of black-hole mergers into constraints on compact-binary formation. Different formation channels predict identifiable signatures in the astrophysical distributions of source parameters, such as masses and spins. One example within the scenario of isolated binary evolution is mass-ratio reversal: even assuming efficient core-envelope coupling in massive stars and tidal spin-up of the stellar companion by the first-born black hole, a compact binary with a lighter, non-spinning first-born black hole and a heavier, spinning second-born black hole can still form through mass transfer from the initially more to less massive progenitor. Using current LIGO/Virgo observations, we measure the fraction of sources in the underlying population with this mass-spin combination and interpret it as a constraint on the occurrence of mass-ratio reversal in massive binary stars. We modify commonly used population models by including negligible-spin subpopulations and, most crucially, non-identical component spin distributions. We do not find evidence for subpopulations of black holes with negligible spins and measure the fraction of massive binary stars undergoing mass-ratio reversal to be consistent with zero and $<32\%$ ($99\%$ confidence). The dimensionless spin peaks around $0.2\unicode{x2013}0.3$ appear robust, however, and are yet to be explained by progenitor formation scenarios.

研究の動機と目的

• 質量の大きな二重星系で、初期に質量が小さかった星が後に重いブラックホールを形成する質量比反転が発生したかどうかを特定すること。
• 二重ブラックホール合体からの観測された重力波信号に、非同一のスピン分布およびスピンが無視できる程度の小さなスピンを持つ部分集団の痕跡が現れているかどうかを検証すること。
• 現在のLIGO/Virgo観測を用いて、質量比反転を経験した二重ブラックホール系の割合を制限すること。
• より現実的なスピンモデルを考慮した場合に、以前に報告されたスピン大きさの過剰度（χ ≈ 0.2–0.3付近）が依然として頑健であるかどうかを評価すること。

提案手法

• LIGO/VirgoのGWTC-2.1カタログに含まれる69件の信頼できる二重ブラックホールイベントを対象に、階層ベイズ推論を適用した。
• 一次および二次ブラックホールに非同一のスピン分布を許容する修正された集団モデルを用い、スピン大きさのパラメータを別々に取り扱った。
• スピンがゼロに近い部分集団を、ゼロスピンにおけるピークを用いて組み込み、その占有割合をテストした。
• モンテカルロ統合を用いて集団尤度を計算し、注入信号からの単一イベントの事後分布と検出確率を再重み付けした。
• gwpopulation、bilby、dynestyを用いて、集団パラメータに非情報的事前分布を設定し、事後分布をサンプリングした。
• 非同一スピンおよびスピンが無視できる部分集団を含む・含まないモデルを比較し、質量比反転の証拠を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LIGO/Virgoカタログ内の二重ブラックホール合体のうち、より重いスピンを持つ二次ブラックホールと、より軽い非スピン性の一次ブラックホールを示す証拠がある割合はどの程度か？
• RQ2 現在の重力波観測は、質量比反転のシナリオで予測される、スピンが無視できる程度の小さなスピンを持つブラックホールの部分集団の存在を支持しているか？
• RQ3 非同一スピン分布およびスピンが無視できる部分集団を考慮した場合に、χ ≈ 0.2–0.3付近のブラックホールスピン大きさの過剰度は依然として頑健か？
• RQ4 合体するブラックホールのスピン状態を用いて、ブラックホールの形成順序、特に重い方が後に形成されたかどうかを推定できるか？

主な発見

• 質量比反転を経験した二重ブラックホール系の割合は、99％信用区間で<32％に制限され、現在のデータではそのようなシステムに顕著な証拠は確認されなかった。
• スピンが無視できる程度の小さなスピンを持つ部分集団の支持は強くない。一次ブラックホールのゼロスピンの占有割合は<46％、二次ブラックホールでは<36％であった。
• より重いブラックホールが顕著なスピンを持ち、より軽いブラックホールが無視できるスピンを持つシステムの内挿的割合は<32％であり、これはMRR割合と解釈される。
• 非同一スピン分布およびスピンが無視できる部分集団を許容しても、以前に報告されたスピン大きさの過剰度（χ ≈ 0.2–0.3）は依然として頑健である。
• 事後分布は、次元なしスピンが両方とも0.6より大きい二重系にはほとんど支持を持たないことを示しており、そのようなシステムは極めてありえない。
• 結果から、質量比反転は隔離された二重星進化においてまれであるか、あるいは標準的な隔離二重星進化モデルの仮定を再考する必要がある可能性が示唆される。