[논문 리뷰] Comparison of LIGO/Virgo upper limits with predicted compact binary merger rates

Krzysztof Belczyński, Michał Dominik외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 08. 01.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 9인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 LIGO/Virgo의 현재 상한선과 이론적 예측된 밀집 이중성계 병합률 간의 비교를 다룬다. 특히 BH-BH 및 NS-NS 시스템의 경우를 중심으로 하며, 인구 합성 모델을 사용하여, 총 질량 50–70 M⊙ 범위에서 가장 낙관적인 BH-BH 병합률 예측치가 현재 상한선보다 약 3배 낮음을 확인하였다. 이는 고감도 감지기에서의 첫 번째 탐지가 곧 이루어질 수 있음을 시사한다. 반면 NS-NS 시스템의 경우 예측된 병합률은 상한선보다 약 3개 항목 낮으며, 설령 설계 감도에 도달하더라도 탐지 가능성은 여전히 불확실하다.

ABSTRACT

We compare the current LIGO/Virgo upper limits on double compact object volumetric merger rates with our theoretical predictions. Our optimistic models are a factor of 3 below the existing upper limits for massive BH-BH systems with total mass 50-70 Msun, suggesting that a small increase in observational sensitivity may bring the first detections. The LIGO/Virgo gravitational wave observatories are currently being upgraded to advanced design sensitivity. If a sizeable population of BH-BH binaries is detected, the maximum total binary mass of this population will discriminate between two general families of common envelope models. If no binaries are detected, the new upper limits will provide astrophysically useful information about the environment and physical processes (e.g., metallicity of host galaxies or BH natal kicks) crucial to the formation of binaries containing black holes. For NS-NS systems, our predicted rates are 3 orders of magnitude below the current upper limits; even if advanced instruments reach their design sensitivities (factors of 10 times in distance, and 1,000 times in volumetric rate) the detection of NS-NS systems is not assured. However, we note that although our predicted NS-NS merger rates are consistent with estimates derived from Galactic NS-NS binaries and short GRBs, they are on the low side of these empirical estimates.

연구 동기 및 목표

• 현재 LIGO/Virgo의 이중 밀집 천체 병합률 상한선과 인구 합성 모델로부터 도출된 이론적 예측 간의 일치성 평가
• 예측된 병합률을 바탕으로 고감도 LIGO/Virgo 장치에서 BH-BH 및 NS-NS 이중성계의 탐지 가능성 평가
• 미래의 상한선 또는 탐지로부터 도출할 수 있는 천체물리적 통찰, 특히 공통 대류층 진화 및 블랙홀 태생 반동과 같은 형성 메커니즘에 대한 정보 도출
• 금속성, 초신성 반동, 공통 대류층 효율성 등의 영향을 수치적으로 분석하여 예측된 병합률에 미치는 영향 평가

제안 방법

• 공통 대류층 효율성 및 태생 반동과 같은 핵심 매개변수를 변화시켜 12개의 물리적으로 현실적인 이중성계의 진화를 모델링하기 위해 StarTrack 인구 합성 코드를 활용
• 금속성(Z = 0.02 및 Z = 0.002)을 변화시킨 진화 모델 데이터베이스를 사용하여 NS-NS, BH-NS, BH-BH 시스템의 은하계 병합률(단위: Myr⁻¹) 계산
• 공식 R_vol = 10⁻⁶ × ρ_gal × [f_Z × R_MW^Z⊙ + (1−f_Z) × R_MW^0.1Z⊙] 를 사용하여 은하계 병합률을 국부 우주 내 체적 병합률로 변환함. 여기서 ρ_gal = 0.01 Mpc⁻³
• Abadie et al. (2012) 및 Aasi et al. (2013)의 현재 LIGO/Virgo 상한선과 비교하기 위해 총 이중성계 질량 구간(2–5 M⊙에서 73–91 M⊙까지) 별로 예측된 체적 병합률을 비교
• 표준 모델(S)과 변형 모델(V5–V17)을 사용하여 공통 대류층 에너지 예산 및 기여자 결합 에너지 등 불확실한 물리적 매개변수에 대한 민감도 분석 수행
• 비탐지 또는 탐지 결과가 금속성 의존성 및 블랙홀 태생 반동과 같은 천체물리 과정을 제약하는 데 미치는 영향 평가

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이론적 예측된 이중 밀집 천체 병합률은 현재 LIGO/Virgo 상한선와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 현재 이론적 병합률 예측치를 바탕으로 고감도 LIGO/Virgo 장치에서 BH-BH 이중성계를 탐지할 가능성은 얼마나 되는가?
• RQ3 공통 대류층 진화 및 블랙홀 태생 반동의 불확실성은 예측된 병합률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 미래의 비탐지 또는 상한선으로부터 어떤 천체물리적 정보를 추출할 수 있는가?
• RQ5 예측된 NS-NS 병합률은 은하계 双중 중성자별 시스템 및 단기 감마선 폭발에서 유도된 경험적 추정치와 얼마나 일치하는가?

주요 결과

• 총 질량 50–70 M⊙ 범위의 BH-BH 시스템에서 가장 낙관적인 이론 모델은 현재 LIGO/Virgo 상한선보다 약 3배 낮은 병합률을 예측하며, 이는 감도 향상만으로도 첫 번째 탐지가 가능함을 시사한다.
• 이론적 NS-NS 병합률은 현재 LIGO/Virgo 상한선보다 약 3개 항목 낮으며, 설령 설계 감도(체적 병합률 1000배 향상)에 도달하더라도 NS-NS 탐지가 보장되지 않는다는 것을 시사한다.
• 낮은 예측률에도 불구하고 이론적 NS-NS 병합률은 은하계 이중 중성자별 및 단기 감마선 폭발에서 유도된 경험적 추정치와 일치하나, 경험적 범위의 하한 근처에 위치한다.
• 고감도 LIGO/Virgo 관측에서 BH-BH 이중성계가 탐지되지 않는다면, 그로 인한 상한선은 은하계의 금속성 및 블랙홀 태생 반동과 같은 핵심 형성 매개변수를 강력하게 제약할 수 있다.
• 탐지된 BH-BH 이중성계의 최대 총 질량은 공통 대류층 진화 모델의 두 주요 유형을 구분할 수 있으며, 이는 이중성계 진화 이론에 직접적인 시험을 제공한다.
• 최악의 경우 예측 모델(V11A)에서 54–73 M⊙ 질량 범위의 병합률은 2.0×10⁻⁷ Mpc⁻³ yr⁻¹에 도달하지만, 여전히 LIGO/Virgo 상한선인 0.7×10⁻⁷ Mpc⁻³ yr⁻¹ 이하에 머무르며 탐지 가능 여유가 있음을 시사한다.