[논문 리뷰] Modelling the formation of the first two neutron star-black hole mergers, GW200105 and GW200115: metallicity, chirp masses and merger remnant spins

Debatri Chattopadhyay, S. P. Stevenson외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 11.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 66인용 수 23

한 줄 요약

이 연구는 COMPAS 인구 합성 코드를 사용한 고립된 이중성 진화 시뮬레이션을 통해 첫 번째 두 개의 중성자별-흑색구멍 병합, GW200105와 GW200115의 형성 과정을 모델링한다. 연구 결과, 태양 질량 이하의 금속성 (𝑍≲0.005)이 관측된 시스템을 강하게 지지하며, 비회전 블랙홀이 선호되며, 병합의 펄스 질량과 잔류 스핀이 효과적 스핀보다 더 효과적으로 형성 경로를 제약함을 밝혀냈다.

ABSTRACT

The two neutron star-black hole mergers (GW200105 and GW200115) observed in gravitational waves by advanced LIGO and Virgo, mark the first ever discovery of such binaries in nature. We study these two neutron star-black hole systems through isolated binary evolution, using a grid of population synthesis models. Using both mass and spin observations (chirp mass, effective spin and remnant spin) of the binaries, we probe their different possible formation channels in different metallicity environments. Our models only support LIGO data when assuming the black hole is non spinning. Our results show a strong preference that GW200105 and GW200115 formed from stars with sub-solar metallicities $Z\lesssim 0.005$. Only two metal-rich ($Z=0.02$) models are in agreement with GW200115. We also find that chirp mass and remnant spins jointly aid in constraining the models, whilst the effective spin parameter does not add any further information. We also present the observable (i.e. post selection effects) median values of spin and mass distribution from all our models, which maybe used as a reference for future mergers. Further, we show that the remnant spin parameter distribution exhibits distinguishable features in different neutron star-black hole sub-populations. We find that non-spinning, first born black holes dominate significantly the merging neutron star-black hole population, ensuring electromagnetic counterparts to such mergers a rare affair.

연구 동기 및 목표

• 고립된 이중성 진화 모델을 사용하여 관측된 첫 번째 중성자별-흑색구멍(NS-BH) 병합, GW200105와 GW200115의 형성 경로를 조사하기 위해.
• 이 시스템들에서 블랙홀 또는 중성자별이 먼저 형성되었는지 확인하기 위해 (BHNS 대 NSBH 하위집단).
• 관측된 중력파 매개변수를 바탕으로 조상 환경의 금속성을 제약하기 위해.
• 블랙홀 스핀, 병합의 펄스 질량, 잔류 스핀이 형성 경로를 구분하는 데 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 미래의 NS-BH 병합 관측에 대비하여 기준 중앙값 스핀과 질량 분포를 제공하기 위해.

제안 방법

• 금속성 (𝑍=0.0001에서 0.02)과 진화 매개변수의 격자에 걸쳐 고립된 이중성 진화를 시뮬레이션하기 위해 COMPAS 인구 합성 코드를 사용하였다.
• 공통 염료 효율성, 태초 기립, 스핀 정렬에 대한 가정을 달리한 네 가지 주요 모델—Pessimistic, Optimistic, Kick_100, Alpha_2—를 사용하였다.
• 블랙홀 스핀이 궤도 운동량과 정렬된 것으로 가정하였으며, 초신성 기립으로 인한 스핀 이탈의 영향을 검토하였다.
• LIGO/Virgo 관측 자료에서 얻은 GW200105와 GW200115의 관측치와 비교하기 위해 모델 예측의 병합 펄스 질량, 효과적 스핀 (𝜒eff), 잔류 스핀 (𝜒rem)을 분석하였다.
• 관측된 90퍼센트 신뢰구간의 질량, 스핀, 잔류 매개변수와 일치하는 정도를 기준으로 모델 성공 여부를 평가하였다.
• 미래의 관측 비교를 위한 기준으로 사용하기 위해 모든 모델에서 중앙값 스핀과 질량 분포를 생성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GW200105와 GW200115의 관측된 특성을 가장 잘 설명하는 형성 경로는 BHNS인지 NSBH인지?
• RQ2 이 NS-BH 이중성의 조상 별의 선호 금속성 범위는 무엇인가?
• RQ3 관측 결과와 가장 부합하는 것은 병합 전 블랙홀이 스핀이 있는지 없는 것인가?
• RQ4 GW200105와 GW200115의 관측된 잔류 스핀이 병합 펄스 질량과 효과적 스핀 이외의 추가 제약 조건을 제공하는가?
• RQ5 관측된 스핀과 질량 분포로 BHNS와 NSBH 하위집단을 구분할 수 있는가?

주요 결과

• GW200105와 GW200115 모두에 대해 태양 질량 이하의 금속성 (𝑍≲0.005)이 강하게 선호되며, 금속성 높은 (𝑍=0.02) 모델 중에서 GW200115를 만족하는 것은 오직 두 개 뿐이다.
• 병합 전 블랙홀이 비회전이어야만 강하게 선호되며, 병합 전 블랙홀이 스핀이 있는 유일한 모델이 GW200105를 만족한다.
• 병합 펄스 질량과 잔류 스핀이 효과적 스핀 매개변수보다 더 효과적으로 형성 모델을 제약함을 확인하였으며, 효과적 스핀은 추가 정보를 제공하지 않는다.
• большин의 모델에서 NSBH 시스템은 병합하는 NS-BH 이중성의 1퍼센트 미만을 차지하며, BHNS 시스템이 수 개의 주기로 우세하다.
• BHNS와 NSBH 하위집단 간에 잔류 스핀 분포에 구분 가능한 특징이 존재하여 향후 식별이 가능함을 확인하였다.
• 병합하는 인구에서 비회전, 첫 번째로 형성된 블랙홀의 지배적인 존재로 인해 NS-BH 병합의 전자기 대응체는 거의 없을 것으로 예상된다.