[논문 리뷰] GW190425 is inconsistent with being a binary neutron star born from a fast merging channel

Mohammadtaher Safarzadeh, E. Ramírez-Ruiz외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 13.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 GW190425가 빠른 융합 채널을 통해 형성된 이중 중성자별(BNS) 시스템으로서의 해석에 도전하며, 그로 인한 융합 빈도가 이론적 예측과 일치하지 않는다고 주장한다. 이는 중성자별 형성 모델의 재검토 또는 거대 중성자별 내에서 극도로 강한 자기장 성질이 존재할 가능성을 제기한다. 이는 시스템의 탐지 가능성과 형성 효율성을 설명하는 데 기여한다.

ABSTRACT

The LIGO/Virgo Scientific Collaboration (LVC) recently announced the detection of a compact object binary merger, GW190425, with a total mass of $3.4^{+0.3}_{-0.1}$ M$_{\odot}$, and individual component masses in the range of about 1.1 to 2.5 $M_{\odot}$. If the constituent compact objects are neutron stars, then the total mass is five standard deviations higher than the mean of $2.66\pm 0.12$ M$_{\odot}$ for Galactic binary neutron stars (BNSs). LVC suggests such massive BNS systems are born from a fast-merging channel, and therefore, their non-detection in the Galaxy to be due to a selection effect. However, we are unable to reconcile the inferred formation efficiency from the reported merger rate, $\mathcal{R}_{ m GW190425}=460^{+1050}_{-390}$ yr$^{-1}$ Gpc$^{-3}$, with predictions from our own study for fast-merging BNS systems. Moreover, the comparable merger rates of GW190425, and GW170817 are possibly in tension with our results for two reasons: (i) more massive systems are expected to have a lower formation rate, and (ii) fast merging channels should constitute $\lesssim 10\%$ of the total BNS systems if case BB unstable mass transfer is permitted to take place as a formation pathway. We argue that to account for the high merger rate of GW190425 as a BNS system requires: (i) revisiting our understanding of NS formation in supernova explosions, or (ii): that more massive NSs need to be preferentially born with either very weak or very high magnetic fields so that they would be undetectable in the radio surveys. Perhaps massive NSs detected in NS-white dwarf binaries are our clues to the formation path of GW190425 systems.

연구 동기 및 목표

• GW190425가 빠른 융합 채널을 통해 형성된 이중 중성자별 시스템으로 설명될 수 있는지 평가하는 것.
• GW190425의 관측된 융합 빈도가 빠른 융합 BNS 시스템에 대한 이론적 예측과 일치하는지 평가하는 것.
• GW190425의 높은 질량이 초신성에서 중성자별 형성 모델을 재검토할 필요가 있음을 시사하는지 조사하는 것.
• 거대한 자기장 강도를 가진 거대 중성자별이 시스템의 탐지 가능성에 영향을 줄 수 있는가를 탐색하는 것.
• NS-WD 이중성에서의 거대 중성자별이 GW190425 유사 시스템의 형성 경로에 대한 단서를 제공할 수 있는지 검토하는 것.

제안 방법

• 관측된 GW190425 융합 빈도 𝒪(R) = 460⁺¹⁰⁵⁰₋₃₉₀ yr⁻¹ Gpc⁻³를 빠른 융합 BNS 시스템에 대한 이론적 예측과 비교한다.
• 사례 BB 불안정 질량 이 trasfer가 타당한 형성 경로로 간주될 경우, 빠른 융합 BNS 시스템의 기대 형성 비율을 평가한다.
• GW190425의 높은 질량(3.4 M⊙)과 더 큰 질량의 BNS 시스템에 대한 낮은 기대 형성 빈도 사이의 괴리 문제를 분석한다.
• 특히 거대 중성자별의 자기장 강도가 라디오 탐사에서의 탐지 가능성에 미치는 영향을 고려한다.
• NS-백색왜성 이중성에서의 관측 증거를 분석하여 GW190425와 관련된 형성 경로를 추론한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GW190425의 관측된 융합 빈도는 빠른 융합 이중 중성자별 시스템에 대한 이론적 예측과 일치하는가?
• RQ2 총 질량 3.4 M⊙를 가진 GW190425가 더 작은 질량의 BNS 시스템보다 더 흔하게 나타나는 이유는 무엇인가, 이는 예상과 반대되는가?
• RQ3 은하계 내 유사한 거대 중성자별 이중성의 비검출은 빠른 융합 채널의 형성 효율성에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ4 극도로 강한 중성자별 자기장이 GW190425 유사 시스템의 거대 중성자별이 라디오 탐사에서 검출되지 않는 이유를 설명할 수 있는가?
• RQ5 NS-WD 이중성에서 관측된 거대 중성자별은 GW190425의 형성 메커니즘에 대한 관측적 증거를 제공하는가?

주요 결과

• GW190425의 추정 융합 빈도 460⁺¹⁰⁵⁰₋₃₉₀ yr⁻¹ Gpc⁻³는 빠른 융합 이중 중성자별 시스템에 대한 이론적 예측과 일치하지 않는다.
• 더 큰 질량의 BNS 시스템은 낮은 형성 빈도를 가질 것으로 예상되나, GW190425의 높은 질량과 높은 융합 빈도는 이 예측과 모순된다.
• 만약 사례 BB 불안정 질량 이 trasfer가 타당한 형성 경로라면, 빠른 융합 BNS 시스템은 전체 BNS 인구의 10% 미만을 차지해야 하며, 이는 GW190425의 관측 빈도와 일치하지 않는다.
• 높은 융합 빈도를 이론 모델과 조율하기 위해선, 초신성에서의 중성자별 형성 모델을 재검토하거나, 거대 중성자별이 매우 약한 또는 매우 강한 자기장을 가진 채로 태어나 라디오로 탐지되지 않도록 해야 한다.
• NS-백색왜성 이중성에서 관측된 거대 중성자별은 GW190425 유사 시스템의 형성 경로를 이해하는 데 핵심적인 단서가 될 수 있다.
• 은하계 내 검출되지 않은 거대 BNS 시스템의 부재는 선택 효과만으로는 충분히 설명될 수 없으며, 이는 재검토된 형성 모델이 필요함을 시사한다.