[논문 리뷰] Hierarchical mergers in young, globular and nuclear star clusters: black hole masses and merger rates

Michela Mapelli, Filippo Santoliquido외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 29.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 젊고 구형, 핵성단에서 계층적 블랙홀 병합을 모의하기 위해 빠른 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하며, 핵성단이 구형성단이나 젊은 성단보다 10–100배 더 자주 계층적 병합을 일으킨다는 것을 밝혀내었다. 이는 더 높은 탈출 속도 때문이며, 모델은 금속 농도가 낮은 환경에서 중간질량 블랙홀과 쌍불안성 질량 갭 블랙홀의 형성을 예측한다. 특히 핵성단에서는 최대 약 ~1,000 M$_\odot$의 블랙홀 형성이 가능하다.

ABSTRACT

Hierarchical mergers are one of the distinctive signatures of binary black hole (BBH) formation through dynamical evolution. Here, we present a fast Monte Carlo approach to simulate hierarchical mergers in nuclear star clusters (NSCs), globular clusters (GCs) and young star clusters (YSCs). Hierarchical mergers are orders of magnitude more common in NSCs than they are in both GCs and YSCs, because of the different escape velocity. In our fiducial model, the fraction of hierarchical mergers over all mergers is $\sim{}0.15$, $\sim{}6 imes{}10^{-3}$ and $\sim{}10^{-4}$ in NSCs, GCs and YSCs, respectively. The mass distribution of hierarchical BBHs strongly depends on the properties of first-generation BBHs, such as their progenitor's metallicity. In our fiducial model, we form black holes (BHs) with masses up to $\sim{}10^3$ M$_\odot$ in NSCs and up to $\sim{}10^2$ M$_\odot$ in both GCs and YSCs. When escape velocities in excess of 100 km s$^{-1}$ are considered, BHs with mass $>10^3$ M$_\odot$ are allowed to form in NSCs. Hierarchical mergers lead to the formation of BHs in the pair instability mass gap and intermediate-mass BHs (IMBHs), but only in metal-poor environments. In our fiducial model, at metallicity $Z\sim{}0.0002$, the fraction of BBH mergers with primary BH in the pair instability mass gap is $\sim{}7 imes{}10^{-3}$, $3 imes{}10^{-4}$ and $5 imes{}10^{-6}$ in NSCs, GCs and YSCs, respectively. In metal-poor NSCs, the fraction of BBH mergers with primary mass in the IMBH regime is $\sim{}5 imes{}10^{-4}$. The local BBH merger rate in our models ranges from $\sim{}10$ to $\sim{} 60$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$; hierarchical BBHs in NSCs account for $\sim{}10^{-2}- 0.2$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$, with a strong upper limit of $\sim{}10$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$.

연구 동기 및 목표

• 젊고 구형, 핵성단에서 계층적 블랙홀 병합의 빈도와 특성에 대해 조사한다.
• 클러스터 탈출 속도와 조상 금속 농도가 계층적 병합을 통해 거대 블랙홀을 형성하는 데 미치는 영향을 규명한다.
• 다른 클러스터 유형에서 중간질량 블랙홀과 쌍불안성 질량 갭 블랙홀 형성의 비율을 정량화한다.
• 계층적 병합이 국지 이중 블랙홀 병합률 밀도에 기여하는 정도를 평가한다.
• 반복적인 병합을 통해 초질량 블랙홀(>1,000 M$_\odot$)이 형성될 수 있는 조건을 탐색한다.

제안 방법

• 이중 블랙홀 형성과 병합을 포함한 성단의 천체역학적 진화를 모의하기 위해 빠른 몬테카를로 시뮬레이션 프레임워크를 개발하였다.
• 모델은 블랙홀 보존과 계층적 병합 가능성에 결정적인 영향을 미치는 클러스터 특화 탈출 속도를 포함한다.
• 금속 농도(Z ~ 0.0002)를 명시적으로 변화시켜 그 영향을 평가하기 위해 초기 질량 함수와 조상 금속 농도 기반으로 블랙홀 질량을 계산하였다.
• 모의는 제1세대 이중 블랙홀 형성과 이후의 계층적 병합, 반복 융합에 의한 질량 증가를 추적한다.
• 병합률을 단위 부피와 적색편이 기준으로 계산하였으며, 관측 데이터와 비교하기 위해 Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$ 단위로 출력하였다.
• 고탈출 속도(>100 km s$^{-1}$)가 초거대 블랙홀(>1000 M$_\odot$) 형성에 미치는 영향을 특별히 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 핵성단에서의 계층적 병합률은 구형성단이나 젊은 성단과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ2 탈출 속도는 계층적 병합을 통한 거대 블랙홀 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 계층적 병합은 중간질량 블랙홀과 쌍불안성 질량 갭 블랙홀 형성에 어떤 기여를 하는가?
• RQ4 조상 금속 농도는 계층적 이중 블랙홀의 질량 분포와 병합률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 다른 성단 환경에서 계층적 이중 블랙홀의 국지 병합률은 예측적으로 어떻게 되는가?

주요 결과

• 핵성단에서 계층적 병합은 구형성단이나 젊은 성단보다 약 10–100배 더 흔하다. 이는 더 높은 탈출 속도 때문이기 때문이다.
• 기준 모델에서 핵성단에서는 계층적 병합이 전체 병합의 약 ~15%를 차지하며, 구형성단에서는 약 ~0.6%, 젊은 성단에서는 약 ~0.01%이다.
• 핵성단은 최대 약 ~1,000 M$_\odot$의 블랙홀을 형성하지만, 구형성단과 젊은 성단은 최대 약 ~100 M$_\odot$의 블랙홀을 형성한다.
• 탈출 속도가 100 km s$^{-1}$ 이상인 경우, 핵성단은 1,000 M$_\odot$를 초월하는 블랙홀을 형성할 수 있으며, 이는 초질량 블랙홀 형성에 기여한다.
• 금속 농도가 낮은 환경(Z ~ 0.0002)에서, 핵성단의 이중 블랙홀 병합 중 약 ~0.7%는 주 블랙홀이 쌍불안성 질량 갭에 속한다.
• 모델의 국지 이중 블랙홀 병합률은 약 ~10에서 ~60 Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$ 사이이며, 핵성단에서는 계층적 병합이 약 ~0.01–0.2 Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$ 기여한다.