[논문 리뷰] Constraining population synthesis models via observations of compact-object binaries and supernovae

R. O’Shaughnessy, C. Kim외 2명|arXiv (Cornell University)|2006. 10. 03.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 이중 밀도 천체(DCO)와 초신성의 관측된 비율을 사용하여 인구 합성 모델을 제약하고 있으며, 관측된 데이터와 일치하는 모델은 약 9%에 불과하다. 이 연구는 300 km/s의 맥스웰 분포를 가진 태생 속도, 안정적 질량 이 trasfer 동안 90%의 질량 손실, 그리고 공통 염소 α ≈ 0.2–0.5와 같은 선호되는 모델 파라미터를 규명하고, 은하수 내 블랙홀-블랙홀, 블랙홀-중성자별, 중성자별-중성자별 이중성의 중력파 병합 비율을 예측한다.

ABSTRACT

The observed samples of supernovae (SN) and double compact objects (DCOs) provide several critical constraints on population-synthesis models: the parameters of these models must be carefully chosen to reproduce, among other factors, (i) the formation rates of double neutron star (NS-NS) binaries and of white dwarf-neutron star (WD-NS) binaries and (ii) the type II and Ib/c supernova rates. Even allowing for extremely conservative accounting of the uncertainties in observational and theoretical predictions, we find only a few plausible population synthesis models (roughly 9%) are consistent with DCO and SN rates empirically determined from observations. As a proof of concept, we describe the information that can be extracted about population synthesis models given such stringent observational tests, including surprisingly good agreement with the observed pulsar proper motion distribution. In the present study, we find that the current observational constraints favor: kicks described by a single Maxwellian with a typical velocity of about 300km/s; mass-loss fractions during non-conservative, but stable, mass transfer episodes of about 90%; and common envelope parameters of about 0.2-0.5. Finally, we use the subset of astrophysically consistent models to predict the rates at which double black hole (BH-BH), black hole-neutron star (BH-NS), and NS-NS binaries merge in the Milky Way through the emission of gravitational waves.

연구 동기 및 목표

• 이중 중성자별 및 백색왜성-중성자별 이중성의 관측된 형성 비율과 인구 합성 모델의 일관성을 테스트하기 위해.
• 관측된 제2형 및 Ib/c 초신성 비율과 모델의 호환성을 평가하기 위해.
• 엄격한 관측 제약 조건을 통해 천체물리적으로 타당한 모델 파라미터를 규명하기 위해.
• 관측 데이터로부터 태생 속도 및 질량 손실 비율과 같은 물리적 통찰을 도출하기 위해.
• 일致한 모델을 사용하여 은하수 내 블랙홀-블랙홀, 블랙홀-중성자별, 중성자별-중성자별 이중성의 중력파 병합 비율을 예측하기 위해.

제안 방법

• 이중 밀도 천체(DCO) 및 초신성의 경험적 형성 비율이 관측 제약 조건으로 사용된다.
• 인구 합성 모델은 관측된 DCO 및 초신성 비율, 특히 중성자별-중성자별 및 백색왜성-중성자별 이중성 형성 비율과 비교된다.
• 통계적 비교를 통해 제2형 및 Ib/c 초신성 유형과 DCO 형성 비율을 관측한 데 일치하는 모델을 식별한다.
• 예측된 펄사 운동량 분포를 관측 결과와 비교하여 모델을 추가로 제약한다.
• 태생 속도, 안정적 질량 이 trasfer 동안의 질량 손실 비율, 공통 염소 에너지 예산과 같은 핵심 모델 파라미터는 관측과의 일치를 통해 유추된다.
• 일치하는 천체물리적 모델의 하위 집합을 사용하여 블랙홀-블랙홀, 블랙홀-중성자별, 중성자별-중성자별 이중성의 중력파 병합 비율을 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 이중 밀도 천체 및 초신성 형성 비율과 일치하는 인구 합성 모델은 무엇인가?
• RQ2 태생 속도, 안정적 질량 이 trasfer 동안의 질량 손실 비율, 공통 염소 파라미터의 선호되는 값은 무엇인가?
• RQ3 제약된 모델은 관측된 펄사 운동량 분포를 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ4 은하수 내 블랙홀-블랙홀, 블랙홀-중성자별, 중성자별-중성자별 이중성의 예측 중력파 병합 비율은 무엇인가?
• RQ5 관측 제약 조건은 인구 합성 모델의 타당한 파라미터 공간을 얼마나 엄격하게 제한하는가?

주요 결과

• 시험된 인구 합성 모델 중 약 9%만 DCO 및 초신성 비율의 경험적 제약 조건과 일치한다.
• 자료는 약 300 km/s의 타당한 속도를 가진 단일 맥스웰 분포 태생 속도를 선호한다.
• 비보존적 안정적 질량 이 trasfer 기간 동안의 질량 손실 비율은 약 90%로 가장 잘 맞는다.
• 공통 염소 파라미터는 0.2에서 0.5 사이의 값으로 제약된다.
• 일致하는 모델의 하위 집합은 은하수 내 블랙홀-블랙홀, 블랙홀-중성자별, 중성자별-중성자별 이중성의 중력파 병합 비율을 특정한 비율로 예측한다.
• 모델은 관측된 펄사 운동량 분포와 놀랍도록 잘 일치한다.