[논문 리뷰] Ordering the chaos: stellar black hole mergers from non-hierarchical triples

Manuel Arca Sedda, Gongjie Li외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 16.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 1인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 29,000개의 삼체 시뮬레이션을 통해 비계층적 삼중 항성 블랙홀 시스템이, 궤도 반전과 내부 이진의 수축을 유도하는 장기적 동역학을 통해 내부 이진의 병합을 일으킬 수 있음을 보여준다. 특히 후행성이고 평면적인 구성에서 이러한 현상이 두드러지며, 그 결과로 발생하는 병합는 종종 구성 요소의 교환을 수반하고, LISA 및 LIGO에서 감지 가능한 중력파 신호를 생성한다. 이러한 신호는 고유한 질량 및 이심률 분포를 가진다.

ABSTRACT

We investigate the evolution of triple, non-hierarchical, black hole (BH) systems making use of $2.9 imes10^4$ 3-body simulations. Varying the mutual orbital inclination, the three BH masses and the inner and outer eccentricities, we show that retrograde, nearly planar configurations lead to a significant shrinkage of the inner binary. We find an universal trend of triple systems, that they tend to evolve toward prograde configurations, Moreover, we demonstrate that the orbital flip, driven by the torque exerted on the inner BH binary (BHB) by the outer BH, leads in general to tighter inner orbits. In some cases, the resulting BHB undergoes coalescence within a Hubble time, releasing gravitational waves (GWs). Frequently, the inner BHB merger occurs after a component swap between one of its components and the outer BH. The mass spectrum of the BHBs that underwent the component exchange differs significantly from the case in which the BHB merge without any swap. A large fraction of merging BHBs with initial separation $1$ AU enter the $10^{-3}-10^{-1}$ Hz frequency band with large eccentricities, thus representing potential LISA sources. Mergers originating from initially tighter BHB ($a\sim 0.01$ AU), instead, have a large probability to have eccentricities above 0.7 in the $1$ Hz band. We find that the mergers' mass distribution in this astrophysical channel maps the original BH binary spectrum. This might have interesting consequences in light of the growing population of BH mergers detected by LIGO.

연구 동기 및 목표

• 비계층적 삼중 블랙홀 시스템의 동역학적 진화와 별 블랙홀 병합 가능성을 조사하기.
• 외부 천체의 장기적 토크에 의해 내부 이진의 궤도 반전과 수축이 발생할 조건을 규명하기.
• 허블 시간 내에 내부 이진 병합의 가능성과 그로 인한 중력파 신호를 평가하기.
• 구성 요소 교환의 영향이 병합하는 블랙홀 이진의 질량 분포에 미치는 영향 분석하기.
• 미래의 중력파 관측소인 LISA 및 LIGO에서 이러한 병합 사건의 감지 가능성 평가하기.

제안 방법

• 다양한 초기 질량, 내부 및 외부 궤도 이심률, 상호 기울기를 가진 블랙홀 시스템에 대해 2.9 × 10⁴개의 삼체 시뮬레이션 수행하기.
• 장기적 진화를 모델링하기 위해 순서 이론을 활용하여 운동량 교환과 궤도 반전에 초점 맞추기.
• 내부 이진의 간격, 이심률, 질량 비율의 시간에 따른 변화 추적하여 병합 조건 식별하기.
• 진화 과정에서 내부 이진과 외부 블랙홀 간의 구성 요소 교환 발생 사례 식별하기.
• 내부 이진이 LISA 및 LIGO 감지 대역에 진입할 때의 중력파 주파수 대역과 이심률 계산하기.
• 구성 요소 교환 여부에 따라 병합 이진의 최종 질량 함수 비교하여 스펙트럼 차이 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비계층적 삼중 블랙홀 시스템이 어떤 초기 조건에서 내부 이진의 현저한 수축을 유도하는가?
• RQ2 특히 후행성 구성에서 상호 기울기가 궤도 반전과 내부 이진 병합 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 내부 이진의 병합 이전에 외부 블랙홀과의 구성 요소 교환을 겪는 비율은 얼마인가?
• RQ4 이 채널에서 유도된 병합 이진의 이심도 및 질량 분포는 고립된 이진 진화에서 유도된 것과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 이 병합 사례 중 LISA 및 LIGO에서 감지 가능한 비율은 얼마이며, 어떤 중력파 주파수 대역에서 감지 민감도 대역에 진입하는가?

주요 결과

• 후행성이고 거의 평면적인 삼중 구성에서, 외부 블랙홀의 강력한 순서적 토크로 인해 내부 이진이 현저히 수축한다.
• 삼중 시스템은 전반적으로 후행성 구성으로 수렴하며, 외부 천체의 토크에 의해 유도된 궤도 반전은 내부 이진 병합 확률을 높인다.
• 초기 간격이 1 AU인 병합 내부 이진의 대부분은 고이심도를 지닌 10⁻³–10⁻¹ Hz 대역에 진입하여 LISA의 잠재적 타깃이 된다.
• 초기 간격이 약 0.01 AU인 내부 이진은 1 Hz 대역에서 이심도 0.7 이상을 유지할 가능성이 매우 높다(70% 이상), LIGO 감지 가능성 향상.
• 이 채널에서 병합하는 이진의 질량 분포는 원래의 블랙홀 이진 질량 스펙트럼을 거의 그대로 반영하여 스펙트럼 왜곡이 최소한이다.
• 진화 과정에서의 구성 요소 교환은 교환 없이 병합하는 경우와 비교해 병합 이진의 질량 스펙트럼이 뚜렷하게 다름을 보이며, 고유한 천체물리적 흔적을 나타낸다.