[논문 리뷰] Massive Stellar Triples Leading to Sequential Binary Black-Hole Mergers in the Field

Alejandro Vigna-Gómez, Silvia Toonen외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 26.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 93인용 수 81

한 줄 요약

이 논문은 별이 흩어져 있는 환경에서 거대한 별 삼중성이 연속적인 이중 블랙홀 병합을 일으킬 수 있으며, 첫 번째 병합이 발생한 블랙홀이 나중에 세 번째 블랙홀과 병합할 수 있다고 제안한다. 인구 합성 모델을 사용하여 이러한 시스템이 쌍불안정성 질량 갭 내 블랙홀을 생성할 수 있으며, 이는 효과적 스핀이 0.1 이상인 경우를 포함하여 군집 형성 외의 다른 경로를 제공한다. 이 모델은 GW170729가 삼중성 기원임을 지지하지만, 스핀과 질량의 불일치로 인해 GW190521는 군집 내에서 형성되었을 가능성이 높다고 제안한다.

ABSTRACT

Stellar triples with massive stellar components are common, and can lead to sequential binary black-hole mergers. Here, we outline the evolution towards these sequential mergers, and explore these events in the context of gravitational-wave astronomy and the pair-instability mass gap. We find that binary black-hole mergers in the pair-instability mass gap can be of triple origin and therefore are not exclusively formed in dense dynamical environments. We discuss the sequential merger scenario in the context of the most massive gravitational-wave sources detected to date: GW170729 and GW190521. We propose that the progenitor of GW170729 is a low-metallicity field triple. We support the premise that GW190521 could not have been formed in the field. We conclude that triple stellar evolution is fundamental in the understanding of gravitational-wave sources, and likely, other energetic transientsas well.

연구 동기 및 목표

• 고립된 거대한 별 삼중성이 쌍불안정성 질량 갭 내에 있는 블랙홀을 만들어내는 연속적인 이중 블랙홀 병합을 일으킬 수 있는지 조사하기.
• 이러한 장내 기원 병합이 GW170729와 GW190521와 같은 가장 질량이 큰 중력파 신호를 설명할 수 있는지 확인하기.
• 블랙홀 병합의 스핀과 질량 서명을 이용해 장내 삼중 기원과 군집 기원을 구분하기.
• 삼중 시스템이 밀도 높은 역학적 환경 없이도 쌍불안정성 질량 갭을 채우는 데 어떤 역할을 하는지 평가하기.

제안 방법

• 원형, 공면, 정방향 궤도를 가진 고립된 계층적 삼중 시스템을 모델링하며, 임계 질량 비율 기준에 따라 역학적 안정성을 가정한다.
• 합성 이중성 인구 합성(COMPAS)을 사용하여 초기 질량 분포와 블랙홀 질량를 생성하고, 질량 손실, 질량 이전, 화학적으로 균일한 진화를 포함한다.
• 중력파 유도 병합 시간(제임스 페터스, 1964)을 적용하여 내부 이중 블랙홀 병합 이후 외부 이중 블랙홀의 병합 timescale을 추정한다.
• 방출된 질량과 반동 힘으로 인한 병합 후 궤도 변화를 계산하며, 고질량 비율 내부 이중 블랙홀의 경우 반동 힘이 무시 가능하다고 가정한다.
• 최종 병합의 효과적 스핀(χeff)을 내부 이중 블랙홀과 제3의 블랙홀 스핀 및 질량에 따라 계산한다.
• Riley 등(2020)의 BBH 병합률을 사용하여 z=0에서의 연속 병합 비율을 추정하여 R < 3 Gpc⁻³ yr⁻¹을 산출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고립된 거대한 별 삼중성이 쌍불안정성 질량 갭 내에 있는 블랙홀을 만들어내는 연속적인 이중 블랙홀 병합을 일으킬 수 있는가?
• RQ2 이러한 장내 기원 병합이 GW170729와 GW190521의 관측된 질량과 스핀을 설명할 수 있는가?
• RQ3 쌍불안정성 질량 갭 내에서 연속 병합과 군집 기원 병합을 구분하는 스핀과 질량 서명은 무엇인가?
• RQ4 첫 번째 병합에서 방출된 질량과 반동 힘이 외부 이중 블랙홀의 생존과 진화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 장내 삼중에서의 연속 병합 비율은 얼마이며, 군집 기반 형성과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?

주요 결과

• 모델은 장내 기원 연속 병합이 쌍불안정성 질량 갭 내 블랙홀을 생성할 수 있으며, 이러한 사건이 반드시 군집 내에서만 발생한다고 보는 가정을 도전한다.
• 질량 갭을 초과하는 제3의 블랙홀이 있고, χeff가 0.1에서 0.27 사이인 시스템(빨간색 하위영역 A)은 장내 삼중 후보로 타당하다.
• 질량 갭 이하의 제3의 블랙홀이 있고, χeff가 0.38에서 0.58 사이인 시스템(파란색 하위영역 B) 역시 장내 삼중 진화와 일치한다.
• GW170729의 효과적 스핀(χeff ≈ 0.25)은 삼중 기원 시나리오와 일치하며, 특히 하위영역 B에서의 일치는 그 장내 삼중 기원을 지지한다.
• GW190521의 높은 질량과 스핀은 모델 예측과 일치하지 않아 이 사건은 군집 기원일 가능성이 높다.
• 장내 삼중에서의 연속 병합 비율은 R < 3 Gpc⁻³ yr⁻¹로 추정되며, 군집 내 및 장내 계층적 삼중의 비율과 유사하다.