[논문 리뷰] Binary Black Hole Formation and Mergings

К. А. Постнов, М. Е. Прохоров|arXiv (Cornell University)|1999. 03. 12.

Black Holes and Theoretical Physics인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 대량 항성(>35 M⊙)의 발달된 별 모델을 사용하여 이중 블랙홀(BH)의 형성 및 융합 비율을 조사한다. 초신성 질량 방출 및 태생 킥 속도(0–250 km/s)를 포함하여 분석한다. 비영일 킥 속도가 허브 수명 동안 융합 비율을 의미 있게 높이기 위해 필수적임을 발견하였으며, 초기 레이저 간섭계의 검출 가능 비율을 예측하고 궤도 이심도 및 스핀-궤도 각도 분포를 분석한다.

ABSTRACT

The formation and evolution of binary black holes (BH) is studied using the modern evolutionary scenario for very massive stars with high mass loss (Vanbeveren et al. 1998). Main sequence stars with masses $M>35 M_\odot$ are assumed to form a BH in the end of their nuclear evolution. The mass of BH formed is parametrized as $M_{bh}=k_{bh} imes M_{SN}$, where $M_{SN}$ is the mass of the pre-supernova star taken from evolutionary calculations, $k_{bh}\le 1$. The possibility is explored that a newly formed BH acquires a kick velocity 0-250 km/s. Binary BH are found to merge within the Hubble time at an appreciable rate only for non-zero kick velocities. We calculate the galactic merging rates of binary BH systems, their detection rate by the initial laser interferometers, and the distributions of merging binary BH over orbital eccentricities at different frequencies. The distribution of angles between BH spins and the orbital angular momentum is also presented.

연구 동기 및 목표

• 고질량 손실을 겪는 대량 항성에서 이중 블랙홀의 형성 및 진화를 모델링하기 위해.
• 허브 수명 내 이중 BH 융합 비율에 대한 태생 킥 속도의 영향을 평가하기 위해.
• 초기 세대 레이저 간섭계에 의한 이중 BH 융합 검출 비율을 추정하기 위해.
• 융합하는 이중 BH 시스템에서 궤도 이심도 및 스핀-궤도 각도 분포를 특성화하기 위해.

제안 방법

• 현재 모델에 부합하는 질량 손실 비율을 갖는 대량 항성의 진화 시나리오( Vanbeveren et al. 1998 )를 채택한다.
• 블랙홀 형성은 $ M_{bh} = k_{bh} \times M_{SN} $ 로 모델링하며, $ k_{bh} \leq 1 $ 이므로 질량 유지율을 고려한다.
• 신규로 형성된 블랙홀에 대해 0–250 km/s의 태생 킥 속도를 포함하여 비대칭 초신성 폭발을 시뮬레이션한다.
• 허브 시간 스케일 내 융합 비율을 계산하기 위해 이중 진화를 시뮬레이션한다.
• 예상 융합 비율 및 감도 곡선을 바탕으로 초기 레이저 간섭계의 검출 비율을 계산한다.
• 다양한 중력파 주파수에서 궤도 이심도 분포 및 스핀-궤도 각도 방향 분포를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 항성 진화 모델 하에서 허브 수명 내 이중 블랙홀 융합 비율은 얼마인가?
• RQ2 태생 킥 속도는 이중 블랙홀 시스템의 형성 및 융합에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 초기 세대 레이저 간섭계에 의한 이중 블랙홀 융합의 기대 검출 비율은 얼마인가?
• RQ4 융합하는 이중 BH의 궤도 이심도는 중력파 주파수에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 융합 시스템에서 블랙홀 스핀 벡터와 궤도 운동량 벡터 간의 각도 분포는 어떠한가?

주요 결과

• 비영일 태생 킥 속도(0–250 km/s)가 모델에 포함된 경우에만 허브 수명 내에서 이중 블랙홀 융합이 유의미한 비율로 발생한다.
• 예상 갈락티크 융합 비율은 LIGO와 같은 초기 레이저 간섭계에 검출 가능한 비율과 일치한다.
• 높은 중력파 주파수(예: 융합 직전)에서의 궤도 이심도 분포는 비영일 이심도를 보이며, 일부 시스템이 융합 전에 측정 가능한 이심도를 유지함을 시사한다.
• 블랙홀 스핀과 궤도 운동량 간의 각도 분포는 비균일하며, 형성력사 및 태생 킥에 따라 선호되는 정렬 또는 비정렬이 있을 수 있음을 시사한다.
• 0 킵을 갖는 시스템의 융합 비율은 극히 낮으며, 이는 태생 킥이 이중 BH 융합을 가능하게 하는 데 핵심적인 역할을 한다는 것을 예측한다.