[논문 리뷰] Black hole triple dynamics: implications for gravitational wave detections

Fabio Antonini, Norman Murray외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 16.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 고정밀 N-body 시뮬레이션을 사용하여 구형별집단 내 블랙홀 삼중성이 코자이 공진을 통해 이중성 융합을 유도할 수 있음을 보여주며, 이로 인해 고도로 비선형적인 중력파 신호가 생성된다. LIGO 대역에 진입할 때 50퍼센트 이상의 융합 이중성이 타원도 >0.1을 가지며, 10퍼센트는 극도로 타원도가 높다(1−e<10−5). 이는 중력파 탐지에서 준선형 템플릿의 사용을 도전적으로 만든다.

ABSTRACT

Coalescing black hole (BH) binaries forming in the dense core of globular clusters (GCs) are expected to be one the brightest sources of gravitational wave (GW) radiation for the next generation of ground-based laser interferometers. Favorable conditions for merger are initiated by the Kozai resonance in which the gravitational interaction with a third distant object, typically another BH, induces quasi-periodic variations of the inner BH binary eccentricity. In this paper we perform high precision N-body simulations of the long term evolution of hierarchical BH triples and investigate the conditions that lead to the merging of the BH binary and the way it might become an observable source of GW radiation. We find that the secular orbit average treatment, adopted in previous works, does not reliably describe the dynamics of these systems if the binary is orbited by the outer BH on a highly inclined orbit at a moderate distance. During the high eccentricity phase of a Kozai cycle the torque due to the outer BH can drive the binary to extremely large eccentricities in a fraction of the binary's orbital period. This occurs before relativistic terms become important to the evolution and allows the binary GW signal to reach large GW frequencies (>~10 Hz) at high eccentricities. We show that ~50 % of coalescing BH binaries driven by the Kozai mechanism in GCs will have eccentricities larger than 0.1, with 10 % of them being extremely eccentric, (1-e)<~10^-5, when they first chirp in the frequency band of ground based laser interferometers. This implies that a large fraction of such GW sources could be missed if conventional quasi-circular templates are used for analysis of GW detectors data. The efficient detection of all coalescing BH binaries in GCs will therefore require template banks of eccentric inspiral waveforms for matched-filtering and dedicated search strategies.

연구 동기 및 목표

• 밀도 높은 항성 환경에서 계층적 블랙홀 삼중성의 장기적 역학적 진화를 조사하기 위해.
• 코자이에 의해 유도되는 이중성 융합을 모델링할 때, 궤도 평균 근사법이 신뢰할 수 있는가 평가하기 위해.
• 지상 기반 중력파 탐지기의 감도 주파수 대역에 진입할 때 융합하는 블랙홀 이중성의 타원도 분포를 규명하기 위해.
• 특히 표준 원형 템플릿을 사용할 경우 고도로 비선형 신호를 놓칠 위험을 포함한 중력파 탐지 전략에 대한 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 장기간에 걸친 고정밀 N-body 시뮬레이션을 통해 계층적 블랙홀 삼중성의 진화를 분석하기 위해.
• 코자이–리도프 진동에 의해 영향을 받는 궤도 요소, 특히 타원도와 기울기의 변화를 추적하기 위해.
• 이전 연구에서 사용된 궤도 평균 근사법과의 비교를 통해 결과를 분석하기 위해.
• 지상 기반 간섭계의 주파수 대역(f >~10 Hz)에 진입할 때 이중성 융합의 시기와 타원도를 분석하기 위해.
• 감지 가능한 체이핑이 시작될 때 고도로 타원도가 높은(>0.1) 이중성의 비율과 극도로 타원도가 높은(1−e < 10−5) 이중성의 비율을 정량화하기 위해.
• 준선형 파형 템플릿에 기반한 전통적인 매칭 필터링 기법을 사용할 경우 이러한 신호의 탐지 가능성 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고도로 기울여진 외부 궤도를 가진 블랙홀 삼중성의 역학을 기술할 때, 궤도 평균 근사법은 얼마나 정확한가?
• RQ2 지상 기반 중력파 탐지기의 감도 주파수 대역에 처음 진입할 때 융합하는 블랙홀 이중성의 타원도 분포는 어떻게 되는가?
• RQ3 상대론적 효과가 중요한 수준에 도달하기 이르기까지, 코자이 진동이 이중성을 얼마나 극도로 타원도가 높은 상태로 이끌 수 있는가?
• RQ4 구형별집단 내 융합하는 블랙홀 이중성 중에서 감지 가능한 체이핑이 시작될 때 타원도 >0.1 또는 1−e < 10−5를 가지는 비율은 어느 정도인가?
• RQ5 이러한 시스템에서 발생하는 신호에 표준 원형 템플릿 은행을 사용할 경우 중력파 탐지에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 궤도 평균 근사법은 먼 곳에 있는 고도로 기울여진 외부 블랙홀에 의해 유도되는 짧은 시간 스케일의 강력한 토크로 인해 발생하는 빠르고 고주파의 타원도 변화를 포착하지 못한다.
• 고기울기 시스템에서는 외부 블랙홀이 상대론적 프리세션 효과가 중요한 수준에 도달하기 이르기까지 이중성의 타원도를 극도로 높일 수 있으며, 이는 이중성 궤도 주기의 일부분 내에서 이루어진다.
• 구형별집단 내 융합하는 블랙홀 이중성의 약 50퍼센트는 LIGO 대역(f >~10 Hz)에 진입할 때 타원도가 0.1 이상이다.
• 융합하는 이중성의 약 10퍼센트는 지상 기반 탐지기의 감도 주파수 대역에 진입할 때 극도로 타원도가 높다(1−e < 10−5).
• 이러한 결과는 구형별집단 내 블랙홀 이중성 융합의 상당 부분이 표준 매칭 필터링 파ipelines에서 준선형 파형 템플릿에 의존할 경우 놓칠 수 있음을 시사한다.
• 이러한 소스를 효율적으로 탐지하기 위해서는 비선형 템플릿 은행과 극도로 비선형적인 인스피레이션에 특화된 전용 탐지 전략 개발이 필요하다.