[논문 리뷰] Breaching the limit: formation of GW190521-like and IMBH mergers in young massive clusters

Manuel Arca Sedda, Francesco Paolo Rizzuto외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 14.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 11인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 상대론적 보정을 포함한 80개의 고해상도 N-body 시뮬레이션을 통해 청소년 거대성단(YMCs)에서 중간질량흑색구멍(IMBH) 병합 및 GW190521 유사 체계의 형성을 모델링한다. 밀도가 높은 성단에서의 계층적 병합이 300–350 M⊙의 총 질량을 가진 IMBH-BH 이진을 생성할 수 있음을 보여주며, LISA와 DECIGO에서 탐지 가능하다. 또한, 3세대 병합이 GW190521의 스핀 매개변수를 가장 잘 재현함을 입증한다.

ABSTRACT

The LIGO-Virgo-Kagra collaboration (LVC) discovered recently GW190521, a gravitational wave (GW) source associated with the merger between two black holes (BHs) with mass $66$ M$_\odot$ and $>85$ M$_\odot$. GW190521 represents the first BH binary (BBH) merger with a primary mass falling in the "upper mass-gap" and the first leaving behind a $\sim 150$ M$_\odot$ remnant. So far, the LVC reported the discovery of four further mergers having a total mass $>100$ M$_\odot$, i.e. in the intermediate-mass black holes (IMBH) mass range. Here, we discuss results from a series of 80 $N$-body simulations of young massive clusters (YMCs) that implement relativistic corrections to follow compact object mergers. We discover the development of a GW190521-like system as the result of a 3rd-generation merger, and four IMBH-BH mergers with total mass $~(300-350)$ M$_\odot$. We show that these IMBH-BH mergers are low-frequency GW sources detectable with LISA and DECIGO out to redshift $z=0.01-0.1$ and $z>100$, and we discuss how their detection could help unravelling IMBH natal spins. For the GW190521 test case, we show that the 3rd-generation merger remnant has a spin and effective spin parameter that matches the $90\%$ credible interval measured for GW190521 better than a simpler double merger and comparably to a single merger. Due to GW recoil kicks, we show that retaining the products of these mergers require birth-sites with escape velocities $\gtrsim 50-100$ km s$^{-1}$, values typically attained in galactic nuclei and massive clusters with steep density profiles.

연구 동기 및 목표

• 밀도가 높은 성별 환경에서 GW190521 유사 및 중간질량흑색구멍(IMBH) 병합의 형성 경로를 조사하기 위해.
• 청소년 거대성단(YMCs)에서의 계층적 병합이 상층 질량 갭 및 IMBH 질량 범위 내 블랙홀을 생성할 수 있는지 판단하기 위해.
• 향후 중력파 관측소인 LISA와 DECIGO와 같은 관측소에서 이러한 병합의 탐지 가능성 평가하기 위해.
• 중력파 반동 힘의 역할이 성단 환경에서 병합 잔여물의 유지에 미치는 영향 평가하기 위해.
• 모의 병합 잔여물의 스핀 매개변수를 GW190521에서 추론된 값과 비교하여 형성 모델의 타당성 검증하기 위해.

제안 방법

• 110,000개의 별을 포함한 YMCs에 대한 80개의 직접 N-body 시뮬레이션을 수행하며, 밀도가 높은 환경에서의 밀도 높은 천체 병합을 정확히 모델링하기 위해 상대론적 보정을 통합한다.
• 시뮬레이션된 병합 사건에서 잔여 질량과 스핀을 계산하기 위해 수치적 피팅 공식(Jiménez-Forteza 등 2017)을 후처리 처리로 사용한다.
• Campanelli 등(2007)과 Lousto 등(2012) 기반의 중력파 반동 힘 모델을 구현하며, 스핀에 의존하는 힘 속도 방정식은 대칭 질량 비율, 스핀 벡터, 궤도 평면 성분을 포함한다.
• 은하수 및 IMBH의 다양한 스핀 분포를 탐색: 평균이 0.2, 0.5, 0.7인 정규분포 또는 [0,1] 범위 내 균일분포, IMBH 스핀은 S_IBH = 0.01 또는 0.99로 설정.
• 각 병합 사건에 대해 10,000회의 실현을 생성하여 스핀 및 질량 결과의 통계적 안정성 평가.
• 핵심 관측 가능량 계산: 첨자 질량 및 유효 스핀 매개변수로, 고주파수 중력파 탐지기 제약 조건에 핵심적이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 청소년 거대성단에서의 계층적 병합이 총 질량 150–350 M⊙ 범위의 블랙홀 이진을 생성할 수 있는가? 이는 IMBH와 일치하는가?
• RQ2 성단 환경에서의 3세대 병합이 단순한 형성 경로보다 GW190521의 스핀 및 유효 스핀 매개변수를 더 잘 재현하는가?
• RQ3 LISA와 DECIGO에서 IMBH-BH 병합의 탐지 가능성은 어떠한가? 어떤 적색편이에서 관측 가능한가?
• RQ4 중력파 반동 힘을 고려할 때, 성단 내에서 병합 잔여물을 유지하기 위해 필요한 탈출 속도 기준은 무엇인가?
• RQ5 블랙홀 탄생 스핀 분포에 대한 다양한 가정이 병합 잔여물의 추론된 성질에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• YMC 내 3세대 병합은 구성 질량이 각각 68 M⊙ 및 70 M⊙인 최종 이진을 생성하며, 이는 GW190521의 소스 매개변수와 일치한다.
• 3세대 병합 잔여물의 스핀 및 유효 스핀은 GW190521의 90% 신뢰구간 내에 위치하며, 단순 이중 병합보다 우수하고 단일 병합과 일치하는 일관성을 보인다.
• 총 질량 300–350 M⊙인 네 개의 IMBH-BH 병합이 확인되었으며, 저주파수 중력파 신호로 탐지 가능하다.
• 이 IMBH-BH 병합은 LISA로는 z ≈ 0.01–0.1까지, DECIGO로는 z > 100까지 탐지 가능하다.
• 일반적인 은하수 BH 병합에서 중력파 반동 힘이 50–100 km s⁻¹를 초과하며, 잔여물을 유지하기 위해 은하핵이나 밀도가 높은 성단과 같은 높은 탈출 속도 환경이 필요하다.
• 반동 힘 분포 분석 결과, 질량 비율 q ≈ 0.6–0.9(일반적인 은하수 BH 이진의 특성)인 병합은 100 km s⁻¹ 이상의 힘을 생성하지만, 극도로 비대칭적인 병합(q < 0.1)은 낮은 힘을 갖는다.