[논문 리뷰] Don't fall into the gap: GW190521 as a straddling binary

M. Fishbach, D. E. Holz|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 11.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 26인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 GW190521이 쌍체 불안정성 초신성(PISN) 질량 갭을 가로지르는 이중 블랙홀임을 제안하며, 한 블랙홀은 50–120 M⊙ 갭 내에 있고 다른 한 블랙홀은 외부에 있다. 베이지안 추론과 보수적인 사전 확률을 사용하여, 이중 질량 갭 이중 블랙홀보다는 가로지르는 구성이 더 가능성 높음을 보여주며, 이는 GW190521이 별 진화 모델을 위반하지는 않지만 오히려 PISN 갭을 가로지르는 새로운 유형의 이중 블랙홀을 드러낸다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Models for black hole (BH) formation from stellar collapse robustly predict the existence of a pair-instability supernova (PISN) mass gap: black holes cannot be born with masses in the range $50\,M_\odot\lesssim m\lesssim 120\,M_\odot$. The reported mass of GW190521's primary black hole, $m_1=85^{+21}_{-14}\,M_\odot$, falls squarely within this mass gap. Moreover, under the same uninformative priors used for $m_1$, GW190521's secondary black hole is also likely in the PISN mass gap ($m_2>50\,M_\odot$ at 93\% confidence). Even in proposed scenarios which can produce BHs in the PISN gap, double mass-gap binary black holes (BBHs) are expected to be rare. We consider the more conservative alternative that GW190521's secondary BH belongs to the population of BHs previously observed by LIGO/Virgo, finding $m_2 120\,M_\odot$, or 25\% probability for $m_1>130\,M_\odot$). This is because the total mass of the system is better constrained than the individual masses. As long as the prior odds for a double-mass-gap BBH are smaller than $\sim1:15$, it is more likely that GW190521 straddles the PISN gap. Alternatively, if we assume a gap width of $\gtrsim75\,M_\odot$ as predicted from stellar evolution, and assume that both components of GW190521 are formed from stellar collapse, we again find that GW190521's BHs straddle the mass gap, with the upper edge of the gap above $116\,M_\odot$ (90\% credibility). We argue that GW190521 may not present a fundamental challenge to our understanding of stellar evolution and collapse. Instead, GW190521 may be the first example of a straddling binary black hole, composed of a conventional stellar mass BH and a BH from the far side of the PISN mass gap.

연구 동기 및 목표

• GW190521의 주 블랙홀 질량(85 M⊙)이 별 붕괴 모델이 블랙홀 형성이 일어나지 않을 것으로 예측하는 PISN 질량 갭 내에 위치해 있다는 명백한 모순을 해결하기 위해.
• 관측된 이중 블랙홀의 구성이 더 가능성 높은 이중 질량 갭 이중 블랙홀인지, 아니면 한 성분은 갭 내에 있고 다른 한 성분은 갭 외부에 있는 가로지르는 이중 블랙홀인지 평가하기 위해.
• GW190521이 새로운 물리학이 필요로 하지 않으며, 오히려 별 붕괴를 통해 형성된 희귀하지만 가능한 블랙홀 구성임을 시험하기 위해.
• 보수적인 사전 확률과 별 진화 제약 조건 하에서, 가로지르는 이중 블랙홀이 이중 갭 이중 블랙홀보다 더 가능성 높은 정도를 정량화하기 위해.

제안 방법

• LIGO/Virgo의 GW190521 중력파 데이터에 비정보성 사전 확률을 적용하여 구성 질량의 사후 분포를 추정하기 위해 베이지안 추론을 사용한다.
• 양 블랙홀이 모두 PISN 질량 갭(50–120 M⊙) 내에 있을 확률과 한 성분만이 갭 내에 있을 확률을 신뢰구간과 오즈 비율을 사용하여 평가한다.
• 이중 질량 갭 이중 블랙홀과 가로지르는 이중 블랙홀의 오즈를 비교하여, 사전 오즈가 약 1:15 이하일 경우 가로지르는 구성이 더 가능성 높음을 발견한다.
• 별 진화 모델을 사용하여 PISN 갭의 상한선을 추정하고, 갭 너비가 ≥75 M⊙라고 가정하며 갭 상한선에 대한 90% 신뢰구간을 계산한다.
• 총 질량 제약 조건이 개별 질량의 불확실성을 줄이는 데 핵심적인 역할을 하며, 이는 가로지르는 해석을 지지한다.
• 갈림길 너비와 형성 경로에 대한 다양한 가정 하에서 가로지르는 가설의 탄력성을 시험하며, 이전 LIGO/Virgo 탐지에서 유래한 보조 블랙홀의 가능성도 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GW190521이 더 가능성 높은가 이중 질량 갭 이중 블랙홀인지, 아니면 한 블랙홀이 PISN 갭 내에 있고 다른 한 블랙홀은 갭 외부에 있는 가로지르는 이중 블랙홀인지?
• RQ2 비정보성 사전 확률 하에서 GW190521의 두 성분이 모두 PISN 질량 갭 내에 있을 확률은 얼마인가?
• RQ3 이 시스템의 총 질량이 개별 질량의 제약 조건에 어떻게 영향을 주며, 가로지르는 구성의 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 만약 GW190521이 가로지르는 이중 블랙홀이지만 이중 갭 시스템은 아니라면 별 진화에 어떤 함의가 있는가?
• RQ5 관측된 시스템은 낯선 형성 메커니즘을 도입하지 않고도 표준 별 붕괴 모델로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 비정보성 사전 확률 하에서 GW190521의 보조 블랙홀이 PISN 질량 갭 내에 있을 확률은 93%로, 두 성분이 모두 갭 내에 있을 가능성이 높음을 시사한다.
• 그러나 이중 질량 갭 이중 블랙홀의 사전 오즈가 약 1:15 이하일 경우에만 가로지르는 구성이 더 가능성 높아지며, 이는 보수적인 기준이다.
• 별 진화 모델이 예측하는 바와 같이 갭 너비가 ≥75 M⊙일 경우, PISN 갭 상한선에 대한 90% 신뢰구간은 116 M⊙를 초과하여 가로지르는 해석을 지지한다.
• GW190521의 총 질량은 개별 질량보다 더 잘 제약되며, 이는 불확실성을 줄이고 가로지르는 시나리오를 지지한다.
• 분석 결과, 보수적인 가정 하에서도 가로지르는 이중 블랙홀이 이중 갭 이중 블랙홀보다 더 가능성 높다는 것이 확인된다.
• 논문은 GW190521이 표준 별 진화 모델과 모순되지 않으며, 오히려 PISN 질량 갭을 가로지르는 이중 블랙홀의 첫 관측 사례일 수 있다고 결론내린다.