[논문 리뷰] Mass and effective spin distributions of binary black hole events: Evidence for a population of hierarchical black hole mergers in active galactic nuclei disks

Yuan-Zhu Wang, Yi-Zhong Fan외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 21.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 GWTC-1 및 GWTC-2.1의 LIGO/Virgo 이중 블랙홀(BBH) 사건을 분석하여, 약 $50M_\odot$ 근처에서 질량에 따라 효과적 스핀($\chi_{\rm eff}$) 분포의 전이가 있음을 발견하였다. 이는 $\sim 100M_\odot$까지 연장되는 고리형(primary mass) 분포와 $\chi_{\rm eff} \sim 0.3$를 가지는 하위집단을 식별하며, 활성은하핵(AGN) 디스크 내에서의 계층적 병합과 일치하는 결과를 보이며, 이러한 환경에서의 병합률이 $1.7~{\rm Gpc}^{-3}{\rm yr}^{-1}$임을 시사한다.

ABSTRACT

The origins of the coalescing binary black holes (BBHs) detected by the advanced LIGO/Virgo are still in debate and clues may present in the mass and effective spin ($χ_{ m eff}$) distributions of these merger events. Here we analyze the GWTC-1 and GWTC-2.1 BBH events, and find evidence for a primary mass dependent $χ_{ m eff}$ distribution. Below (above) the mass of $\sim 50M_\odot$, a nearly zero (relatively high) effective spin is typical. In the joint analysis of the primary mass and $χ_{ m eff}$ distributions, we identify a sub-population of BBHs characterized by both a bump-like primary mass distribution extending to $\sim 100M_\odot$ and a relatively high $χ_{ m eff}\sim 0.3$, consistent with the expectation for the $\geq 2$g merger events in the disks of active galactic nuclei (AGNs). Our results suggest that the merger rate in AGN disks is around $1.7~{ m Gpc}^{-3}{ m yr}^{-1}$.

연구 동기 및 목표

• LIGO/Virgo가 탐지한 이중 블랙홀(BBH) 병합의 천체물리적 기원을 질량과 스핀 분포를 사용하여 조사하기.
• 관측된 스핀 및 질량 특징이 별 기원 외의 병합 채널, 특히 계층적 병합을 지시하는지 판단하기.
• 고효과 스핀과 확장된 질량 함수를 가진 하위집단이 AGN 디스크 내 제2세대 병합 예측과 일치하는지 테스트하기.
• 관측된 분포를 바탕으로 AGN 디스크 내 병합률을 추정하기.

제안 방법

• 두 성분 모델을 구성: 하나는 별 기원 BBH(가우시안 분포를 가정한 $\chi_{\rm eff}$)이고, 다른 하나는 계층적 병합(독립적인 $\chi_{\rm eff}$ 분포)이다.
• 주 질량 $m_1$을 기반으로 하위집단 간의 구분을 하며, 자유 매개변수 $m_{\rm d} \sim 50M_\odot$가 저스핀 및 고스핀 영역을 분리한다.
• 주 질량 분포는 둥근 별 기원 성분과 $\geq 2$ 세대 병합에 해당하는 고리형 성분의 혼합으로 모델링된다.
• 계층적 병합의 $\chi_{\rm eff}$ 분포는 AGN 디스크 시뮬레이션에서 유래한 이론적 예측(예: Yang et al. 2019)을 사용하여 모델링되며, 궤도 정렬을 가정한다.
• 질량과 스핀 분포의 공동 우도 분석을 통해 GWTC-1 및 GWTC-2.1 데이터에 모델을 적합시킨다.
• 관측된 비별 기원 사건 비율에 맞추어 Yang et al. (2019)의 이론적 $\geq 2$ 세대 병합률을 조정하여 AGN 디스크 내 병합률을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LIGO/Virgo BBH 사건에서 질량에 따라 효과적 스핀 분포가 관측되는가?
• RQ2 관측된 질량 및 스핀 분포는 AGN 디스크 내 계층적 병합 하위집단을 지지하는가?
• RQ3 약 $\sim 100M_\odot$까지 연장되고 $\chi_{\rm eff} \sim 0.3$인 고리형 주 질량 분포는 AGN 디스크 내 $\geq 2$ 세대 병합으로 설명될 수 있는가?
• RQ4 현재 데이터를 바탕으로 AGN 디스크 내 계층적 BBH 병합률은 얼마인가?

주요 결과

• $m_1 \sim 50M_\odot$에서 $\chi_{\rm eff}$에 명백한 전이가 관측되며, 그 이하에서는 스핀이 거의 없고, 그 이상에서는 $\chi_{\rm eff} \sim 0.3$이다.
• 비별 기원 하위집단은 약 $\sim 100M_\odot$에서 피크를 이룰 정도로 고리형 주 질량 분포를 보이며, AGN 디스크 내 $\geq 2$ 세대 병합과 일치한다.
• AGN 디스크 내 계층적 병합에서 유래한 BBH 병합 비율은 약 6%이며, 병합률은 $1.7^{+0.9}_{-0.6}~{\rm Gpc}^{-3}{\rm yr}^{-1}$로 추정된다.
• Yang et al. (2019)의 이론적 $\geq 2$ 세대 질량 및 $\chi_{\rm eff}$ 분포는 정규화 후 관측된 비별 기원 성분과 잘 일치한다.
• 별 기원 성분은 이전 AGN 디스크 모델에서 사용된 초기 질량 함수와 잘 일치하여 이론적 가정의 일관성을 뒷받침한다.
• 결과는 펄서성 쌍불안정성 초신성(PPISN) 질량 간극이 물리적으로 의미 있는 것으로 나타나며, 이는 약 $\sim 50M_\odot$에서 질량 분포의 급격한 감소로 나타난다.