[논문 리뷰] Hierarchical Formation Of An Intermediate Mass Black Hole Via Seven Mergers: Implications For GW190521

Oliver Anagnostou, Michele Trenti외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 14.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 13인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 GW190521 중력파 사건에서 관측된 중간질량 블랙홀(IMBH)이 밀도 높은 성단 내에서 일어난 일곱 번의 연속된 이중 블랙홀 병합 체인이 결과로 생겼다고 제안한다. N-body 시뮬레이션을 통해 이 형성 경로가 일반적인 궤도성단에서 60억 년 내에 약 97.8 M⊙의 IMBH를 생성할 수 있으며, 확률은 1%–10%로 추정되며, 이는 GW190521에서 관측된 병합률과 일치한다.

ABSTRACT

The gravitational wave event GW190521 involves the merger of two black holes of $\sim 85 ext{M}_\odot$ and $\sim 66 ext{M}_\odot$ forming an intermediate-mass black hole (IMBH) of mass $\sim 142 ext{M}_\odot$. Both progenitors are challenging to explain within standard stellar evolution as they belong to the upper black-hole mass gap. We propose a dynamical formation pathway for this IMBH based on multiple hierarchical mergers of progenitors in the core of a dense star cluster. We identified such scenarios from analysis of a set of 58 direct N-body simulations using NBODY6-gpu. In one of our canonical runs aimed at describing the evolution of a star cluster with $N=10^5$ stars and typical globular cluster properties, we observe a stellar black hole undergoing a chain of seven binary mergers in 6 Gyr, attaining a final mass of $97.8 ext{M}_\odot$. We discuss the dynamical interactions that lead to the final IMBH product, as well as the evolution of the black hole population in that simulation. From the analysis of all simulations in our dataset we observe additional smaller chains, tentatively inferring that an IMBH formation through chain mergers is expected in the lifetime of a typical (i.e. median mass) globular cluster with probability $0.01 \lesssim p \lesssim 0.1$. Using this order-of-magnitude estimate and comoving star formation rates we show our results are broadly consistent with the mean rate implied by GW190521, and we discuss implications for future gravitational wave detections of IMBHs.

연구 동기 및 목표

• GW190521 중력파 사건에서 관측된 중간질량 블랙홀(IMBH)의 형성을 설명하기 위해, 상한 질량 간극에 있는 블랙홀을 포함한다.
• 밀도 높은 천체 환경에서의 계층적 병합이 GW190521의 관측된 특성과 일치하는 IMBH를 생성할 수 있는지 조사한다.
• N-body 시뮬레이션을 사용하여 일반 궤도성단에서 이러한 IMBH 형성 경로의 확률을 정량화한다.
• 이러한 경로로 예측된 병합률이 GW190521에서 유추된 관측률과 일치하는지 평가한다.

제안 방법

• N = 10^5개의 별과 궤도성단 유사 성질을 가진 별 집단의 천체 역학적 진화를 모델링하기 위해 NBODY6-gpu 코드를 사용해 58개의 직접 N-body 시뮬레이션을 수행하였다.
• 이중 병합 체인을 통해 중간질량 블랙홀 성장을 이끌어내는 별 블랙홀의 형성 및 병합 역사를 집중적으로 추적하였다.
• 한 개의 시뮬레이션에서 단일 블랙홀이 60억 년 동안 일곱 번의 연속된 이중 병합을 겪어 최종 질량 97.8 M⊙에 도달하는 캐논리컬 시뮬레이션을 식별하였다.
• 장기간의 병합 체인을 가능하게 한 역학적 상호작용(예: 교환 충돌 및 밀도 높은 중심부에서의 하드닝)을 분석하였다.
• 전체 시뮬레이션 데이터셋에서 이러한 체인을 통한 IMBH 형성 확률을 추정하여 일반 궤도성단에서의 확률이 0.01 ≲ p ≲ 0.1임을 도출하였다.
• 추정된 형성 확률을 공동 별 형성률과 결합하여 GW190521 관측치와 광범위하게 일치하는 병합률을 유추하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀도 높은 성단 내에서 일곱 번의 이중 블랙홀 병합 체인이 일어나 GW190521 관측치와 일치하는 중간질량 블랙홀을 생성할 수 있는가?
• RQ2 성단의 중심부에서 블랙홀이 수십억 년에 걸쳐 다수의 연속 병합을 겪을 수 있도록 하는 역학적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 일반 궤도성단에서 수명 동안 이러한 병합 체인이 IMBH를 형성할 확률은 얼마인가?
• RQ4 이러한 경로를 통해 예측된 IMBH 병합률은 GW190521 사건에서 유추된 레이트와 일치하는가?
• RQ5 최종 블랙홀의 성질(질량 및 형성 시간스케일 등)은 관측된 GW190521 파arameters와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 한 개의 캐논리컬 시뮬레이션에서 밀도 높은 성단 내 단일 블랙홀이 60억 년 동안 일곱 번의 연속된 이중 병합을 겪어 초기 질량에서 최종 질량 97.8 M⊙로 성장하였다.
• 최종 질량 97.8 M⊙는 GW190521에서 추정된 약 142 M⊙의 잔여 질량과 일치하며, 초기 병합 물체가 상한 질량 간극에 있었음에도 불구하고 타당한 형성 경로임을 시사한다.
• 시뮬레이션 결과는 성단 중심부에서의 교환 충돌 및 이중체 하드닝과 같은 역학적 상호작용이 장기적인 병합 체인을 가능하게 한다고 보여준다.
• 58개의 전체 시뮬레이션 데이터셋에서 이러한 체인을 통한 IMBH 형성 확률은 0.01 ≲ p ≲ 0.1로 추정된다.
• 공동 별 형성률과 결합할 경우, 이 형성 확률는 GW190521 관측치에서 유추된 레이트와 광범위하게 일치하는 병합률을 도출한다.
• 이 연구는 밀도 높은 천체계에서의 계층적 병합이 중간질량 블랙홀의 타당하고 잠재적으로 흔한 형성 채널임을 시사하며, 향후 중력파 관측에 검출 가능한 영향을 미칠 수 있다.