[논문 리뷰] New insights on binary black hole formation channels after GWTC-2: young star clusters versus isolated binaries

Y. Bouffanais, Michela Mapelli외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 24.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 146인용 수 72

한 줄 요약

이 연구는 GWTC-2 데이터를 사용하여 고립 이중성계의 진화와 청소년 성운 내에서의 천체역학적 형성 경로를 이중 블랙홀(BBH) 형성 채널로 비교하기 위해 베이지안 계층 모델링과 N체/인구합성 시뮬레이션을 사용한다. 관측 결과를 가장 잘 설명하는 것은 두 채널의 혼합이며, 스핀 크기가 중간 수준일 경우 천체역학적 형성이 약간 유리하다(f의 중앙값 = 0.26)고 나온다. 스핀 크기가 높을 경우 천체역학적 형성이 강하게 유리하다(f ≤ 0.1). 금속성 분포의 영향은 추론된 혼합 비율에 크게 작용한다.

ABSTRACT

With the recent release of the second gravitational-wave transient catalogue (GWTC-2), which introduced dozens of new detections, we are at a turning point of gravitational wave astronomy, as we are now able to directly infer constraints on the astrophysical population of compact objects. Here, we tackle the burning issue of understanding the origin of binary black hole (BBH) mergers. To this effect, we make use of state-of-the-art population synthesis and N-body simulations, to represent two distinct formation channels: BBHs formed in the field (isolated channel) and in young star clusters (dynamical channel). We then use a Bayesian hierarchical approach to infer the distribution of the mixing fraction $f$, with $f=0$ ($f=1$) in the pure dynamical (isolated) channel. %that controls the proportion of isolated and dynamical BBHs. We explore the effects of additional hyper-parameters of the model, such as the spread in metallicity $\sigma_{ ext{Z}}$ and the parameter $\sigma_{ ext{sp}}$, describing the distribution of spin magnitudes. We find that the dynamical model is slightly favoured with a median value of $f=0.26$, when $\sigma_{ ext{sp}}=0.1$ and $\sigma_{ ext{Z}}=0.4$. Models with higher spin magnitudes tend to strongly favour dynamically formed BBHs ($f\le{}0.1$ if $\sigma_{ ext{sp}}=0.3$). Furthermore, we show that hyper-parameters controlling the rates of the model, such as $\sigma_{ m Z}$, have a large impact on the inference of the mixing fraction, which rises from $0.18$ to $0.43$ when we increase $\sigma_{ ext{Z}}$ from 0.2 to 0.6, for a fixed value of $\sigma_{ ext{sp}}=0.1$. Finally, our current set of observations is better described by a combination of both formation channels, as a pure dynamical scenario is excluded at the $99\%$ credible interval, except when the spin magnitude is high.

연구 동기 및 목표

• GWTC-2에서 관측된 이중 블랙홀 병합 현상에 대해 고립 이중성계 진화와 청소년 성운 내 천체역학적 형성의 상대 기여도를 규명하는 것.
• 스핀 크기 분포의 불확실성과 금속성 분포의 영향이 형성 채널 혼합 비율에 미치는 영향을 평가하는 것.
• GWTC-2에서 관측된 BBH 인구가 순수한 고립 이중성계 형성 시나리오로 설명 가능한지 테스트하는 것.
• 천체물리학적 모델의 초모수(예: σsp, σZ)가 형성 채널 혼합 비율 추론에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 현재 데이터가 단일 형성 채널을 지지하는지, 아니면 고립 및 천체역학적 경로의 조합이 필요로 하는지를 평가하는 것.

제안 방법

• 고립 이중성계와 청소년 성운 내 BBH 형성을 모델링하기 위해 최신의 인구합성(MOBS) 및 N체 시뮬레이션을 사용한다.
• 혼합 비율 f를 추론하기 위해 베이지안 계층 프레임워크를 적용하며, 여기서 f = 0은 순수한 천체역학적 형성, f = 1은 순수한 고립 진화를 의미한다.
• 모델 민감도를 탐색하기 위해 초모수 σsp(스핀 크기 분포의 표준편차)와 σZ(금속성 분포의 표준편차)를 포함한다.
• O3a 감도 기반의 탐지 확률 가중치(pdet)를 적용하여 관측된 GWTC-2 샘플의 선택 효과를 보정한다.
• 관측된 GWTC-2 사례와 시뮬레이션된 BBH 인구 간의 질량, 스핀, 치르프 질량을 기반으로 가능도 기반 추론을 수행한다.
• 모델 비교를 위해 베이지안 증거를 사용하여 천체역학적 형성 대비 고립 진화의 지원 정도를 다양한 가정 하에 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GWTC-2 데이터를 바탕으로 천체역학적 형성과 고립 이중성계 형성 채널 간의 추론된 혼합 비율 f는 얼마인가?
• RQ2 스핀 크기 분포(σsp)와 금속성 분포(σZ)의 변화가 추론된 형성 채널 선호도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 순수한 고립 이중성계 형성 시나리오는 관측된 GWTC-2 BBH 인구와 일치하는가?
• RQ4 σZ와 σsp와 같은 모델 초모수가 f의 추론된 값에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 효과 스핀 χeff의 관측된 분포, 특히 음수 값이 포함된 경우, 고립 형성만으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 천체역학적 형성 채널이 약간 유리하며, σsp = 0.1 및 σZ = 0.4일 때 중앙값 혼합 비율 f = 0.26을 보인다.
• 높은 스핀 크기(σsp = 0.3)를 가진 모델은 천체역학적 형성을 강하게 지지하며, f ≤ 0.1이 되며, 이는 GWTC-2 사례에서 음수 χeff 값을 지지하기 때문이다.
• 금속성 분포 σZ는 강력한 영향을 미친다. σsp = 0.1일 때 σZ를 0.2에서 0.6으로 증가시키면 추론된 f는 0.18에서 0.43으로 증가한다.
• 순수한 고립 이중성계 시나리오는 99% 신뢰구간에서 배제되며, 스핀 크기가 높을 경우(σsp = 0.3)를 제외하고는 그렇다.
• GWTC-2에서 관측된 BBH 인구는 두 형성 채널의 조합으로 가장 잘 기술되며, 높은 치르프 질량과 음수 효과 스핀을 설명하기 위해 천체역학적 과정이 필수적이다.
• 질량이 큰 BBH(주성분 질량 > 60 M⊙)는 데이터에 상당히 기여하며, 그 존재는 청소년 성운 내 천체역학적 형성에 의해 가장 잘 설명된다.