[논문 리뷰] Stellar-mass black holes in young massive and open stellar clusters and their role in gravitational-wave generation IV: updated stellar-evolutionary and black hole spin models and comparisons with the LIGO-Virgo O1/O2 merger-event data

Sambaran Banerjee|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 15.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 쌍극성 불안정성 및 펄세이션 쌍극성 불안정성 초신성를 포함한 고도로 발전된 별의 진화, 초신성, 블랙홀 태생 반동 모델을 적용한 최신 N-body 시뮬레이션을 사용하여, 젊은 거대 은하핵(Young Massive Clusters, YMCs)과 산개성단(Open Clusters, OCs)이 LIGO-Virgo O1/O2 관측 결과와 일치하는 이중 블랙홀(BBH) 병합을 자연스럽게 생성함을 보여준다. 모델은 GW170729의 높은 질량, 효율적 스핀, 최종 스핀 및 GW190412의 질량 비대칭성을 잘 재현하며, 특히 블랙홀의 병합 후 스핀 증가 또는 물질 붕괴를 통한 스핀 증가가 이루어질 경우 더욱 뚜렷하다.

ABSTRACT

I present a set of long-term, direct, relativistic many-body computations of model dense stellar clusters with up-to-date stellar-evolutionary, supernova (SN), and remnant natal-kick models, including pair instability and pulsation pair instability supernova (PSN and PPSN), using an updated version of NBODY7 N-body simulation program. The N-body model also includes stellar evolution-based natal spins of BHs and treatments of binary black hole (BBH) mergers based on numerical relativity. These, for the first time in a direct N-body simulation, allow for second-generation BBH mergers. The set of 65 evolutionary models have initial masses $10^4M_\odot-10^5M_\odot$, sizes 1 pc-3 pc, metallicity $0.0001-0.02$, with the massive stars in primordial binaries and they represent young massive clusters (YMC) and moderately massive open clusters (OC). Such models produce dynamically-paired BBH mergers that agree well with the observed masses, mass ratios, effective spin parameters, and final spins of the LVC O1/O2 merger events, provided BHs are born with low or no spin but spin up after undergoing a BBH merger or matter accretion onto it. In particular, the distinctly higher mass, effective spin parameter, and final spin of GW170729 merger event is naturally reproduced, as also the mass asymmetry of the O3 event GW190412. The computed models produce massive, $\sim100M_\odot$ BBH mergers with primary mass within the 'PSN gap' and also yield mergers involving remnants in the 'mass gap'. They also suggest that YMCs and OCs produce persistent, Local-Universe GW sources detectable by LISA. Such clusters are also capable of producing eccentric LIGO-Virgo mergers.

연구 동기 및 목표

• 최신 물리 모델을 적용한 젊은 거대 은하핵 및 산개성단에서 별질량 블랙홀의 형성과 진화를 모델링하기 위해.
• 밀도 높은 성단 내에서의 천체역학적 과정이 LIGO-Virgo O1/O2 관측 결과와 일치하는 이중 블랙홀 병합을 어떻게 생성하는지 조사하기 위해.
• 특히 병합 후 스핀 증가 과정을 포함한 블랙홀 스핀 진화의 역할이 관측된 병합 특성(예: 효율적 스핀 및 최종 스핀)을 재현하는 데 어떻게 기여하는지 평가하기 위해.
• 이러한 성단이 LISA 대역에서 지속적이고 검출 가능한 중력파 소스가 될 잠재력을 평가하기 위해.
• 질량 갭 영역에 있는 잔여물과 타원형 병합을 생성할 가능성 탐색하기 위해.

제안 방법

• 상대론적 다체 역학과 직접적인 별의 진화 통합을 포함한 최신 NBODY7 N-body 코드를 사용하였다.
• 펄세이션 쌍극성 불안정성(PSN) 및 쌍극성 불안정성(PPSN) 초신성를 포함한 최첨단 초신성 모델을 통합하였다.
• 별의 진화 기반 태생 스핀과 수치 상대론적 물리 기반 병합 처리를 통합하였다.
• N-body 프레임워크 내에서 두 번째 세대 BBH 병합을 직접 시뮬레이션한 최초의 사례였다.
• 초기 질량 10⁴에서 10⁵ M⊙, 크기 1–3 pc, 금속성 0.0001에서 0.02까지의 65개의 모델을 시뮬레이션하였다.
• 실제 성단 역학과 블랙홀 형성 모의를 위해 거대 별의 천체 이중성(primordial binaries)을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최신 N-body 시뮬레이션을 통해 밀도 높은 성단이 LIGO-Virgo O1/O2 이중 블랙홀 병합의 관측된 질량, 질량 비율, 스핀 파rameter를 재현할 수 있는가?
• RQ2 블랙홀 태생 스핀과 병합 후 스핀 증가의 영향이 GW170729 및 GW190412와 같은 관측된 사례와의 일치성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 젊은 거대 은하핵과 산개성단이 질량 갭 또는 PSN 갭 영역의 블랙홀을 포함한 병합을 유의미하게 생성하는가?
• RQ4 이러한 성단이 LISA 대역에서 지속적이고 검출 가능한 중력파 소스가 될 수 있는가?
• RQ5 이러한 성단이 LIGO-Virgo가 검출할 수 있는 타원형 이중 블랙홀 병합을 생성할 잠재력이 있는가?

주요 결과

• 블랙홀가 낮은 또는 스핀이 없는 상태에서 태어나 병합 후 또는 물질 붕괴를 통해 스핀이 증가하는 조건에서, LIGO-Virgo O1/O2 병합 사례의 관측된 질량, 질량 비율, 효율적 스핀 파rameter 및 최종 스핀을 모의로 재현하였다.
• GW170729 사례의 높은 질량, 효율적 스핀 및 최종 스핀은 특히 병합 후 스핀 증가 메커니즘을 통해 자연스럽게 재현되었다.
• GW190412 O3 사례의 질량 비대칭성은 모델이 관측된 계층적 질량 분포와 잘 일치함을 보여주며 일관성을 입증하였다.
• 모의는 'PSN 갭' 영역의 주요 질량을 가진 거대 BBH 병합과 '질량 갭' 영역의 잔여물 생성을 성공적으로 재현하였으며, 이는 이론적 기대와 일치한다.
• 모델은 YMCs와 OCs가 LISA 주파수 대역에서 지속적이고 검출 가능한 중력파 소스를 생성할 수 있음을 예측한다.
• 성단은 타원형 이중 블랙홀 병합을 생성할 능력을 지니며, 이는 LIGO-Virgo에서 관측 가능한 잠재력이 있다.