[논문 리뷰] Constraints on compact binary merger evolution from spin-orbit misalignment in gravitational-wave observations

B. P. Gompertz, M. Nicholl외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 23.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 125인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 중성자별-흑색구멍(NS-BH) 중력파 사건에서 스핀-궤도 비일치를 조사하여 이중성 진화 메커니즘을 제약한다. LIGO-Virgo-KAGRA 탐지에서 기대값 분포를 활용해 기울기 각도를 분석한 결과, GW200115, GW190426_152155, 그리고 GW190917_114630에서 뚜렷한 반대향 스핀-궤도 비일치가 관측되었으며, 이는 표준 고립된 이중성 진화 모델에 도전하고 강력한 탄도 힘 또는 안정적 질량 이 trasfer를 시사한다. 이러한 발견들은 효율적인 질량 이 trasfer와 등방성 힘의 존재가 NS-BH 형성에 핵심적임을 시사한다.

ABSTRACT

The identification of the first confirmed neutron star - black hole (NS-BH) binary mergers by the LIGO, Virgo and KAGRA collaboration provides the opportunity to investigate the properties of the early sample of confirmed and candidate events. Here, we focus primarily on the tilt angle of the black hole's spin relative to the orbital angular momentum vector of the binary, and the implications for the physical processes that determine this tilt. The posterior tilt distributions of GW200115 and the candidate events GW190426_152155 and GW190917_114630 peak at significantly anti-aligned orientations (though display wide distributions). Producing these tilts through isolated binary evolution would require stronger natal kicks than are typically considered (and preferentially-polar kicks would be ruled out), and/or an additional source of tilt such as stable mass transfer. The early sample of NS-BH events are less massive than expected for classical formation channels, and may provide evidence for efficient mass transfer that results in the merger of more massive NS-BH binaries before their evolution to the compact phase is complete. We predict that future gravitational-wave detections of NS-BH events will continue to display total binary masses of $\approx 7$ M$_{\odot}$ and mass ratios of $q \sim 3$ if this interpretation is correct. Conversely, the high mass of the candidate GW191219_163120 suggests a dynamical capture origin. Large tilts in a significant fraction of merging NS-BH systems would weaken the prospects for electromagnetic detection. However, EM observations, including non-detections, can significantly tighten the constraints on spin and mass ratio.

연구 동기 및 목표

• 초기 NS-BH 중력파 사건에서 스핀-궤도 비일치의 물리적 메커니즘을 이해하기 위해.
• 고립된 이중성 진화 모델인지 또는 천체역학적 형성 모델이 관측된 기울기 각도 분포를 가장 잘 설명하는지 테스트하기 위해.
• 스핀 비일치가 전자기 후속 관측 및 다중메시저 천문학에 어떤 영향을 미치는지 평가하기 위해.
• NS-BH 이중성 진화에서 질량 이 trasfer 효율성과 탄도 힘 특성을 제약하기 위해.

제안 방법

• GWTC-2, GWTC-2.1, GWTC-3에서 공개된 중력파 기대값 샘플을 사용하여 블랙홀 스핀 기울기 각도에 대한 사후 예측 분포(PPD)를 구축하였다.
• Abbott 등(2021d)에서 제공한 이중 블랙홀(BBH) 병합 전체 집단의 기울기 각도 기대값과 NS-BH 기울기 각도 기대값을 비교하여 통계적 일관성을 평가하였다.
• 등방성 또는 축방향 탄도 힘의 영향을 시뮬레이션과 이론 모델을 활용해 스핀-궤도 비일치에 미치는 영향을 평가하였다.
• 기여성 별에 대한 토크 작용을 통해 안정적 질량 이 trasfer가 스핀 비일치를 유도하는 역할을 평가하였다.
• 베이지안 추론을 사용하여 관측된 기울기 분포와 일반적인 탄도 힘 모델 간의 갈등을 정량화하였다.
• 유도된 진화 경로를 바탕으로 향후 NS-BH 탐지 추세를 예측하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 NS-BH 병합에서 스핀-궤도 비일치는 고립된 이중성 진화 모델과 일치하는가?
• RQ2 탄도 힘 또는 질량 이 trasfer와 같은 물리적 메커니즘이 관측된 반대향 스핀 분포를 어떻게 설명할 수 있는가?
• RQ3 관측된 기울기 각도는 블랙홀 탄도 힘의 등방성과 크기 제약을 어떻게 제시하는가?
• RQ4 초기 NS-BH 사건의 낮은 총 질량과 높은 질량비는 핵붕괴 이전에 효율적인 질량 이 trasfer를 나타내는가?
• RQ5 큰 스핀-궤도 비일치가 NS-BH 병합의 전자기 대응체에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• GW200115, GW190426_152155, 그리고 GW190917_114630의 사후 분포가 뚜렷한 반대향 스핀-궤도 방향으로 피크를 이룬다. 이는 강력한 비일치를 시사한다.
• 이러한 반대향 기울기는 일반적인 고립된 이중성 진화 모델과 일치하지 않으며, 탄도 힘이 일반적인 값 이상이거나 안정적 질량 이 trasfer와 같은 추가 기울기 메커니즘이 작용해야만 가능하다.
• 관측된 낮은 총이중질량(~7 M⊙)과 높은 질량비(q ≈ 3)는 첫 번째 초신성 이전에 효율적인 질량 이 trasfer가 일어났음을 시사하며, 비전통적 형성 채널을 지지한다.
• 등방성 탄도 힘이 축방향 힘보다 유리하다. 후자는 관측된 기울기 분포를 생성하지 못한다.
• 중요한 비율의 NS-BH 시스템에서 높은 스핀-궤도 비일치는 전자기 대응체의 관측 가능성을 감소시키며, 특히 블랙홀 스핀이 반대향일 경우 더욱 그렇다.
• 향후 중력파-전자기 공동 관측은 스핀과 질량비에 대한 제약 조건을 강화하여 현재 측정치의 디제네레이션 문제를 해결할 수 있다.