[논문 리뷰] Black hole mergers of AGN origin in LIGO/Virgo's O1-O3a observing periods

V. Gayathri, Yi Yang외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 20.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 64인용 수 55

한 줄 요약

이 연구는 LIGO/Virgo의 O1-O3a 런에서 검출된 블랙홀 병합 사건들이 일반적인 천체물리적 인구 분포보다 활성은하핵(AGN) 디스크에서 기인할 가능성이 더 높은지 평가하기 위해 베이지안 모델 비교를 사용한다. 분석 결과, 25%의 사건이 강력한 통계적 선호도(베이즈 요인 >10)를 보이며, 병합률은 2.8 ± 1.8 Gpc⁻³yr⁻¹로 추정되며, AGN는 관측된 질량 분포, 특히 쌍-불안정성 질량 갭(M ≳50 M⊙) 내 병합을 설명할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

The origin of the black hole mergers detected by LIGO and Virgo remains an open question. While the unusual mass and spin of a few events constrain their possible astrophysical formation mechanisms, it is difficult to classify the bulk of the observed mergers. Here we consider the distribution of masses and spins in LIGO/Virgo's first and second observing catalogs, and find that for a significant fraction (25%) of these detected events, an AGN-disk origin model is preferred over a parametric mass-spin model fit to the full GWTC-2 merger sample (Bayes factor $\mathcal{B}>10$). We use this to estimate the black hole merger rate in AGNs to be about $2.8\pm 1.8$\, Gpc$^{-3}$yr$^{-1}$, comparable to theoretical expectations. We find that AGNs can explain the rate and mass distribution of the observed events with primary black hole mass in the pair-instability mass gap ($M\gtrsim50$\, M$_\odot$).

연구 동기 및 목표

• LIGO/Virgo의 O1-O3a 런에서 관측된 이중 블랙홀 병합 인구가 일반적인 천체물리적 인구 분포보다 활성은하핵(AGN) 디스크에서 기인할 가능성이 더 높은지 확인하는 것.
• AGN 디스크 환경이 관측된 병합률과 질량-스핀 분포에 기여하는 정도를 정량화하는 것.
• AGN 기원 모델이 관측된 사건, 특히 쌍-불안정성 질량 갭(M ≳50 M⊙) 내에 있는 사건들을 설명할 수 있는지 테스트하는 것.
• 전체 GWTC-2 샘플에서 유도된 매개변수화된 질량-스핀 분포와 비교하여 AGN 기원 모델의 가능성에 대해 베이지안 모델 비교를 수행하는 것.

제안 방법

• 개별 중력파 사건에 대해 베이지안 모델 비교를 적용하여, AGN 디스크 형성 모델(Model A)과 일반적인 인구 질량-스핀 모델(Model B) 간의 베이즈 요인을 계산하였다.
• 중력파 데이터로부터 유도된 이중체 파rameter(초기질량, 질량비, 효율적 스핀, 전개스핀)의 사후 분포를 사용하여 모델 증거를 계산하였다.
• 초기 궤도에서 디스크 통과 궤도로의 이동과 질량 분리 현상을 포함한 궤도 진화 및 정렬 모델을 사용하여 AGN 디스크 내에서 블랙홀과 중성자별의 역학을 시뮬레이션하였다.
• 기하학적으로 얇고, 광학적으로 두꺼운, 복사 효율적인 원형흡착 디스크를 가정하였으며, α = 0.1 및 ε = 0.1로 설정하였고, 0.1 Eddington 흡착률을 갖는 10⁶ M⊙의 초거대 블랙홀을 고려했다.
• Yang 등(2020)과 Tagawa 등(2020b,a)의 결과를 바탕으로 AGN 디스크에서 형성된 병합의 기대 질량 및 스핀 분포를 계산하였으며, 블랙홀과 중성자별의 초기 질량 함수를 적용하였다.
• 모델 지원의 상대적 정도를 평가하기 위해 베이즈 요인 B = P(data|AGN 모델) / P(data|인구 모델)을 계산하였으며, B > 10은 AGN 기원에 대한 강력한 선호도를 의미한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LIGO/Virgo의 O1-O3a 런에서 검출된 이중 블랙홀 병합 사건 중 얼마나 많은 비율이 일반적인 인구 모델 대비 AGN 흡착 디스크 기원에 강력한 통계적 선호도를 보이는가?
• RQ2 AGN 디스크 환경은 관측된 블랙홀 병합의 질량 및 스핀 분포, 특히 쌍-불안정성 질량 갭 내 병합을 재현할 수 있는가?
• RQ3 관측된 LIGO/Virgo 사건들과 일치하는 AGN 내 병합률은 얼마인가?
• RQ4 AGN 기원 모델은 전체 GWTC-2 샘플의 경험적 질량-스핀 분포와 비교해 볼 때 어느 정도 가능성성이 높은가?
• RQ5 AGN 디스크 역학은 GW190521과 같이 고질량 1차 블랙홀을 가진 사건의 관측된 특성을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• LIGO/Virgo의 O1-O3a 런에서 검출된 이중 블랙홀 병합 사건 중 25%가 일반적인 인구 모델 대비 AGN 디스크 기원에 강력한 통계적 선호도(베이즈 요인 >10)를 보였다.
• AGN 내에서 추정된 블랙홀 병합률은 2.8 ± 1.8 Gpc⁻³yr⁻¹로, 이론적 예측과 일치하였다.
• AGN 디스크 모델은 관측된 질량 분포, 특히 쌍-불안정성 질량 갭(M ≳50 M⊙) 내 병합까지 설명할 수 있었다.
• GW190521 및 GW190519와 같은 사건들은 AGN 모델에 대해 높은 베이즈 요인(>10)을 보이며, AGN 기원 시나리오에 강력한 지지를 받는다.
• 특정 사건군에 대해 AGN 모델은 이중질량, 효율적 스핀, 전개스핀의 연합 분포를 일반적인 인구 모델보다 더 잘 설명하였다.
• 본 연구는 AGN 디스크 환경가 관측된 블랙홀 병합의 상당 부분에 대해 타당하고 통계적으로 유리한 형성 채널임을 입증하였다.