[논문 리뷰] Forward Modelling the O3a GW transient mass distributions with BPASS by varying compact remnant mass and SNe kick prescriptions

Sohan Ghodla, Wouter G. J. van Zeist외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 10.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 LIGO/Virgo의 O3a 런 동안의 중력파(GW) 일시적 현상 집단을 정방향 모델링하기 위해 BPASS 코드를 사용하며, 암흑성질량 추정치와 초신성 기립 제도를 변화시킨다. 관측된 체어프 질량 및 질량 비율 분포를 완전히 일치시키는 단일 모델은 존재하지 않지만, 질량 갭 근처의 저질량 블랙홀을 줄이고, 쌍체 불안정성 한계 이하의 고질량 블랙홀을 더 많이 포함하는 것이 개선된 일치를 요구하며, 중성자별과 블랙홀에 대해 기립 제도가 다를 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We present forward modelling from the extsc{bpass} code suite of the population of observed gravitational wave (GW) transients reported by the LIGO/VIRGO consortium (LVC) during the first half of their third observing run (O3a). Specifically, we predict the expected chirp mass and mass ratio distributions for GW transients, taking account of detector sensitivity to determine how many events should have been detected by the current detector network in O3a. We investigate how these predictions change by alternating between four different remnant mass estimation schemes and two supernovae (SNe) kick prescriptions. We find that none of the model populations resulting from these variations accurately match the whole O3a GW transient catalog. However, agreement from some models to part of the catalog suggests ways to achieve a more complete fit. These include reducing the number of low mass black holes (BHs) close to the mass gap, while also increasing the number of higher mass BHs below the pair-instability SN limit. Finally, we find that the interaction between the value of the remnant mass from a stellar model and the choice of SN kick is complex, and different kick prescriptions may be required depending on whether a neutron star or BH is formed.

연구 동기 및 목표

• O3a 관측 런 동안의 중력파 일시적 현상의 예상 체어프 질량 및 질량 비율 분포를 BPASS 인구 합성 코드를 사용하여 예측하기 위해.
• 검출기 감도가 O3a 카탈로그에서 검출 가능한 사건 수에 어떤 영향을 미치는지 평가하기 위해.
• 네 가지 다른 암흑성질량 추정 제도와 두 가지 초신성 기립 제도가 모델 예측에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 관측된 중력파 일시적 현상 카탈로그, 특히 체어프 질량 및 질량 비율 분포에서 더 잘 일치하는 모델 변형을 특정하기 위해.
• 중성자별과 블랙홀에 대해 기립 제도의 차이가 암흑성질량 추정과 어떻게 상호작용하는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 정방향 모델링은 암흑성 이중계의 형성을 시뮬레이션하기 위해 BPASS 별 인구 합성 코드를 사용하여 수행된다.
• 모델은 검출기 감도 곡선을 포함하여 O3a 기간 동안 검출 가능할 것으로 예상되는 중력파 일시적 현상의 수를 추정한다.
• 네 가지 다른 잔여 질량 추정 제도가 적용되어 중성자별과 블랙홀의 예측 질량을 다양화한다.
• 두 가지 다른 초신성 기립 제도가 사용되어 이중계 진화 및 병합률에 미치는 기립의 영향을 탐색한다.
• 예측된 체어프 질량 및 질량 비율 분포를 관측된 O3a 중력파 일시적 현상 카탈로그와 비교하여 모델의 정확도를 평가한다.
• 잔여 질량 추정과 기립 제도 간의 상호작용을 분석하여, 중성자별과 블랙홀에 대해 다른 기립 모델이 필요한지 여부를 판단한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 암흑성질량 추정 제도는 O3a 중력파 일시적 현상의 예측된 체어프 질량 및 질량 비율 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다양한 초신성 기립 제도는 O3a 카탈로그에서의 중력파 일시적 현상의 검출 가능성 및 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 현재의 BPASS 모델은 체어프 질량 및 질량 비율 측면에서 관측된 전체 O3a 중력파 일시적 현상 카탈로그를 어느 정도 재현할 수 있는가?
• RQ4 관측된 중력파 일시적 현상 집단과의 일치를 향상시키기 위해 잔여 질량 및 기립 제도에 어떤 조정이 필요한가?
• RQ5 최적의 기립 제도는 형성된 암흑성의 종류(중성자별 대비 블랙홀)에 따라 다르게 의존하는가?

주요 결과

• 잔여 질량 추정 제도와 초신성 기립 제도의 유일한 조합이 체어프 질량 및 질량 비율 분포 측면에서 관측된 O3a 중력파 일시적 현상 카탈로그를 완전히 재현하지 못한다.
• 관측 결과와의 개선된 일치는 질량 갭 근처의 저질량 블랙홀 수를 줄이고, 쌍체 불안정성 한계 이하의 고질량 블랙홀 수를 늘여야 함을 시사한다.
• 잔여 질량 추정과 기립 제도 간의 상호작용은 복잡하며, 중성자별 또는 블랙홀 형성 여부에 따라 다른 기립 모델이 필요할 수 있음을 나타낸다.
• 이 연구는 현재 모델가 관측된 분포를 완전히 설명하지 못함을 강조하며, 암흑성질량 형성 물리학에 대한 이해의 격차를 시사한다.
• 검출기 감도는 모델 예측을 校정하는 데 핵심적인 역할을 하며, O3a에서 검출 가능한 사건의 예상 수를 결정한다.
• 결과는 향후 잔여 질량 및 기립 제도의 개선이 관측된 중력파 일시적 현상 집단과의 일致한 일치를 달성하기 위해 필수적임을 시사한다.