[논문 리뷰] A Distant Origin For Magnified LIGO/Virgo Black Holes Implied By Binary Component Masses

Tom Broadhurst, J. M. Diego외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 12.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 14인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 LIGO/Virgo 이진 블랙홀(BBH) 사건에서 관측된 높은 찌르침 질량이 거대한 블랙홀의 본질적인 특성은 아니며, 적색편이 z ≈ 2에서 발생하는 먼, 본질적으로 항성질량 BBH(정점 ~10 M☉)가 중력 렌즈 효과로 증폭되어 발생한다고 제안한다. 이 적색편이에서 기인하는 천체역학적 시간 지연은 파형 주파수를 1+z만큼 늘려, 관측된 찌르침 질량이 진짜 값보다 약 3배 더 큰 것처럼 보이게 한다. 이 렌즈 해석은 데이터에서 관측된 좁은 질량 분산과 높은 질량 집중을 설명하며, 동시에 측정된 블랙홀 스핀이 없는 이유도 설명한다.

ABSTRACT

The primary and secondary masses of the binary black holes (BBH) reported by LIGO/Virgo are correlated with a narrow dispersion that appears to increase in proportion to mass. The mean binary mass ratio $1.45\pm0.07$ we show is consistent with pairs drawn randomly from the mass distribution of black holes in our Galaxy. However, BBH masses are concentrated around $\simeq 30M_\odot$, whereas black holes in our Galaxy peak at $\simeq 10M_\odot$. This mass difference can be reconciled by gravitational lensing magnification which allows distant events to be detected with typically $z\simeq 2$, so the waveform is reduced in frequency by $1+z$, and hence the measured chirp masses appear 3 times larger than their intrinsic values. This redshift enhancement also accounts for the dispersion of primary and secondary masses, both of which should increase as $1+z$, thereby appearing to scale with mass, in agreement with the data. Thus the BBH component masses provide independent support for lensing, implying most high chirp mass events have intrinsic masses like the stellar mass black holes in our Galaxy, coalescing at $z>1$, with only two low mass BBH detections, of $\simeq 10M_\odot$ as expected for unlensed events in the local Universe, $z\simeq 0.1$. This lensing solution requires a rapidly declining BBH event rate below $z<1$, which together with the observed absence of BBH spin suggests most events originate within young globular clusters at $z>1$, via efficient binary capture of stellar mass black holes with randomly oriented spins.

연구 동기 및 목표

• LIGO/Virgo 이진 블랙홀 사건에서 예상치 못하게 높은 찌르침 질량이 발생하는 이유를 설명하기 위해, 은하계 항성 블랙홀의 일반적인 ~10 M☉ 정점보다 높은 질량 분포를 설명한다.
• 관측된 고질량 BBH 분포와 은하계 블랙홀의 좁은 질량 함수 사이의 괴리를 해결한다.
• 중력 렌즈 효과가 BBH 구성 요소 질량의 관측된 질량 분산과 적색편이 스케일링을 설명할 수 있는지 테스트한다.
• 고적색편에서 높은 나이의 젊은 궤도별 집단에서의 무작위 포획 형성 시나리오와 측정된 블랙홀 스핀이 없는 현상을 조화시키는 데 기여한다.
• 렌즈 효과를 통한 이벤트 감지 빈도가 고적색편(z≈1.5)에서 주로 발생하고, 저적색편(z≈0.1)에서는 렌즈 효과가 없는 사건이 지배적일 것으로 예측하며, 이는 현재의 데이터와 일치한다.

제안 방법

• 저자들은 은하계 항성 블랙홀 질량 함수(정점 ~8 M☉, 로그노멀 분포)와 천체역학적 적색편 및 렌즈 증폭을 고려한 관측된 찌르침 질량 분포를 컨볼루션으로 모델링한다.
• 붉은색편 조정된 찌르침 질량 공식 M_chirp,z = (1+z) * M_chirp,intrinsic을 적용하여, 1+z의 시간 지연이 더 높은 진짜 질량처럼 보이게 하여 약 30 M☉의 관측된 질량을 설명한다.
• 증폭도 μ와 거리 척도 D_L 사이의 렌즈 불확실성 모델을 사용하여, 관측된 찌르침 질량에서 적색편을 추정한다. 여기서 D_L(z_ind) = D_L(z)/√μ이다.
• BBH 이벤트의 질량 평면(M1 대 M2)에서 기대되는 분포를 시뮬레이션하여, 렌즈 효과가 데이터와 일치하는 'V자형' 분포를 생성함을 보여주며, 넓은 질량 함수는 다른 패턴을 낳을 것이다.
• 관측된 이벤트를 렌즈 효과가 있는 경우와 없는 경우의 예측과 비교하며, 천체 위치와 위상 일치성을 이용해 잠재적인 렌즈 쌍을 식별한다.
• 관측된 비율에 따라, BBH 융합률이 z≈1.5에서 정점에 도달하고 z≈0.1에서 급격히 감소함을 유추하며, 이는 전체 10건 중 약 2~3건의 렌즈 효과가 없는 사건이 관측된 것과 일치한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LIGO/Virgo BBH 사건에서 관측된 높은 찌르침 질량은 본질적인 고질량 때문이 아니라, 천체역학적 적색편과 중력 렌즈 효과 때문일 수 있는가?
• RQ2 BBH 사건에서 주성분과 보조성분의 질량 분포가 질량에 따라 밀접하게 상관되어 있고 스케일링되어 있는데, 이는 단일한 본질적 질량 함수로 설명될 수 있는가?
• RQ3 BBH 사건에서 측정된 블랙홀 스핀이 없는 것은 고적색편에서 젊은 궤도별 집단에서의 무작위 포획 형성 시나리오를 지지하는가?
• RQ4 관측된 이중 감지 빈도—저적색편에서 두 개의 저질량 사건과 고적색편에서 16개의 고질량 사건—는 단일한 좁은 본질적 질량 함수의 렌즈 효과로 설명될 수 있는가?
• RQ5 BBH 사건의 유추된 고적색편 기원은 관측된 항성 형성 역사와 궤도별 집단 형성 적색편과 일치하는가?

주요 결과

• 1.45 ± 0.07의 평균 이진 질량 비율은 은하계 항성 블랙홀 질량 함수에서의 무작위 쌍화와 일치하며, 렌즈 효과가 있는 사건과 없는 사건이 같은 기원을 가짐을 지지한다.
• 관측된 약 30 M☉ 찌르침 질량 정점은 z ≈ 2에서 발생하는 본질적으로 약 ~10 M☉ 블랙홀의 렌즈 효과로 설명되며, 여기서 1+z ≈ 3이므로 질량이 약 3배 증폭된 것으로 보인다.
• 관측된 데이터에서 주성분과 보조성분 질량의 'V자형' 분포는 렌즈 효과에 의해 둘 다 1+z 비율로 확대되며 재현되며, 넓은 질량 함수는 다른 패턴을 낳을 것이다.
• 유추된 BBH 융합률은 z ≈ 1.5에서 정점에 도달하며 약 10⁴ yr⁻¹ Gpc⁻³이며, z ≈ 0.1에서 약 1000배 감소하여 관측된 비율(약 2~3개의 렌즈 효과 없는 사건)과 일치한다.
• 측정된 블랙홀 스핀이 없는 것은 고적색편(z > 1)에서 젊은 궤도별 집단에서의 이진 포획에 의한 무작위 스핀 방향이 자연스럽게 설명되며, 반복 융합이 필요하지 않다.
• 모델은 향후 감지가 렌즈 효과가 있는 사건에 의해 지배될 것으로 예측하며, LIGO/Virgo 감도가 충분히 향상되어 지역 내 렌즈 효과가 없는 약 ~10 M☉ 인구를 더 낮은 신호 강도로 감지할 수 있을 때까지 지속될 것이다.