[논문 리뷰] Detecting intermediate-mass black holes in Milky Way globular clusters and the Local Volume with LISA and other gravitational wave detectors

Manuel Arca Sedda, Pau Amaro‐Seoane외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 27.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 7인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 N-body 시뮬레이션을 사용하여 이중 상호작용을 통한 구형별집단 내 중간질량 블랙홀(IMBH) 형성 모델링을 수행하며, 초기 조건에 따라 5–50%의 확률로 IMRI가 형성됨을 보여준다. LISA는 $ M_{\text{IMBH}} \sim 4 \times 10^4 \, M_\odot $ 조건에서 연간 6–60건의 IMRI를 탐지할 것으로 예측되며, 향후 검출기인 DECIGO는 연간 최대 3,800건을 탐지할 수 있다.

ABSTRACT

The next generation of gravitational wave (GW) observatories would enable the detection of intermediate mass ratio inspirals (IMRIs), tight binaries composed of an intermediate-mass black hole (IMBH) and a compact stellar object. Here, we study the formation of IMRIs triggered by the interactions between two stellar BHs and an IMBH inhabiting the centre of a globular cluster via direct $N$-body models. Varying the IMBH mass, the stellar BH mass spectrum, and the star cluster properties, we find that IMRIs' formation probability depends on the initial conditions adopted, attaining overall values $\sim5-50\%$. Merging IMRIs tend to map the stellar BH mass spectrum, thus suggesting that their detections can provide clues about the co-evolution of IMBHs and stellar BHs. Given the post-merger GW recoil, typical globular clusters containing an IMBH with mass $M_{ m IMBH}\gtrsim 10^3$ M$_\odot$ have a retention probability $>50\%$ only if the companion has a mass $M_{ m BH}\leq 30$ M$_\odot$. Lower IMBHs are ejected from the cluster if $M_{ m BH}>10$ M$_\odot$. At masses $M_{ m IMBH}=10^2-10^3$ M$_\odot$, the remnant spin is strongly affected by the spin of the companion, whereas for $M_{ m IMBH}>10^4$ M$_\odot$ it is preserved upon multiple mergers. In a 4 yr long mission, we suggest that LISA can unravel IMBHs in Milky Way globular clusters with a signal-to-noise ratio SNR$=10-100$, or in the Large Magellanic Cloud (SNR$=8-40$). Our inferred merger rate suggests that LIGO could detect $0.9-2.5$ yr$^{-1}$ IMRIs with $M_{ m IMBH}\sim100$ M$_\odot$, whereas for LISA we find $6-60$ yr$^{-1}$ detections ($M_{ m IMBH} \sim 4 imes 10^4$ M$_\odot$). Future detectors like Einstein Telescope can deliver up to $10^3$ yr$^{-1}$ IMRIs, whereas DECIGO might allow $400-3800$ yr$^{-1}$ detections for $M_{ m IMBH}<5 imes10^4$ M$_\odot$.

연구 동기 및 목표

• IMBH-별 블랙홀 상호작용의 N-body 시뮬레이션을 통해 구형별집단 내 중간질량 비율의 점점 가까워짐(IMRIs) 형성에 대해 조사한다.
• IMRI 형성 확률이 IMBH 질량, 별 블랙홀 질량 스펙트럼 및 별집단 특성에 따라 어떻게 달라지는지 규명한다.
• 이중 융합 후 중력파 반동으로 인한 IMBH의 별집단 내 유지 확률을 평가한다.
• LISA, LIGO, 아이언티, DECIGO 등 다양한 IMBH 질량에서 IMRI 탐지 률을 추정한다.
• 융합 후 잔여 블랙홀 스핀과 질량 스펙트럼이 IMBH와 별 블랙홀의 공진화 역사에 어떻게 반영되는지 탐색한다.

제안 방법

• IMBH와 다수의 별 블랙홀을 포함한 구형별집단의 직접 N-body 시뮬레이션을 수행하여 천체역학적 상호작용과 IMRI 형성 과정을 모델링한다.
• IMBH 질량($ 10^2 - 10^4 \, M_\odot $), 별 블랙홀 질량 스펙트럼, 별집단 밀도 등의 초기 조건을 다양하게 설정하여 형성 확률를 평가한다.
• 융합 후 반동 속도를 추적하여 이중 융합 이후 별집단 내 IMBH 유지 확률을 계산한다.
• 후뉴턴 이론 이후 모델링과 웨이브폼 모델링을 사용하여 LISA 및 기타 검출기의 신호 대 잡음비(SNR)를 추정한다.
• 시뮬레이션된 사건 빈도와 검출기 감도를 기반으로 다양한 검출기 및 IMBH 질량에 따른 연간 융합 률을 계산한다.
• 다중 융합 이후 잔여 스핀의 진화를 분석하여 초기 블랙홀 스핀과 IMBH 질량이 최종 스핀에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IMBH와 별 블랙홀 질량에 따라 다양한 초기 조건에서 구형별집단 내 IMRI 형성 확률는 어떻게 되는가?
• RQ2 이중 융합으로 인한 중력파 반동이 구형별집단 내 IMBH 유지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 LISA, LIGO, 아이언티, DECIGO는 다양한 IMBH 질량에서 IMRI 탐지 률이 어떻게 되는가?
• RQ4 융합하는 별 블랙홀의 질량 스펙트럼이 IMBH와 별 블랙홀의 공진화 역사를 어느 정도 반영하는가?
• RQ5 잔여 블랙홀의 최종 스핀은 초기 별 블랙홀 스핀과 IMBH 질량에 따라 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• IMRI 형성 확률는 초기 조건, 즉 IMBH 질량과 별 블랙홀 질량 스펙트럼에 따라 5%에서 50% 사이로 변동한다.
• $ M_{\text{IMBH}} \gtrsim 10^3 \, M_\odot $ 인 경우, 동반 별 블랙홀 질량이 $ M_{\text{BH}} \leq 30 \, M_\odot $ 이면 유지 확률가 50% 이상이지만, 더 무거운 동반체는 탈출을 유도한다.
• $ M_{\text{IMBH}} = 10^2 - 10^3 \, M_\odot $ 인 경우 잔여 스핀은 동반체의 스핀에 크게 영향을 받지만, $ M_{\text{IMBH}} > 10^4 \, M_\odot $ 인 경우 다중 융합 동안 스핀이 유지된다.
• LISA는 은하수 구형별집단 내 IMBH를 SNR = 10–100으로 탐지할 수 있으며, 대갈매기은하의 경우 4년간의 임무 동안 SNR = 8–40로 탐지 가능하다.
• LIGO는 $ M_{\text{IMBH}} \sim 100 \, M_\odot $ 조건에서 연간 0.9–2.5건의 IMRI를 탐지할 것으로 예상되며, LISA는 $ M_{\text{IMBH}} \sim 4 \times 10^4 \, M_\odot $ 조건에서 연간 6–60건을 탐지할 수 있다.
• 향후 검출기인 아이언티와 DECIGO는 각각 $ M_{\text{IMBH}} < 5 \times 10^4 \, M_\odot $ 조건에서 최대 약 $ 10^3 $건과 $ 400-3800 $건의 IMRI를 연간 탐지할 수 있다.