[논문 리뷰] The coalescence rates of double black holes

Krzysztof Belczyński, T. Bulik외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 02.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 인구 합성 모델과 실증 관측을 사용하여 이중 블랙홀(BH-BH) 이진계의 융합 속도를 조사하며, BH-BH 시스템이 중력파 소스로서 가장 유망하다는 것을 발견한다. 혼합 금속성 지역 우주에서 융합 속도는 42.9 Myr⁻¹이며, LIGO/Virgo의 연간 탐지율은 약 5회로 예측되며, IC10 X-1과 NGC300 X-1의 실증 데이터는 융합 속도가 0.36⁺⁰.⁵⁰₋₀.²⁶ Mpc⁻³ Myr⁻¹임을 지지한다.

ABSTRACT

We present the summary of the recent investigations of double black hole binaries in context of their formation and merger rates. In particular we discuss the spectrum of black hole masses, the formation scenarios in the local Universe and the estimates of detection rates for gravitational radiation detectors like LIGO and VIRGO. Our study is based on observed properties of known Galactic and extra-galactic stellar mass black holes and evolutionary predictions. We argue that the binary black holes are the most promising source of gravitational radiation.

연구 동기 및 목표

• 업데이트된 별진화 모델을 사용하여 혼합 금속성 환경을 가진 지역 우주에서 이중 블랙홀 이진계의 융합 속도를 추정하기 위해.
• 금속성과 공통 껍질 진화가 BH-BH 형성과 융합 속도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• X선 이진계 IC10 X-1과 NGC300 X-1의 실증 관측과 이론 예측을 비교하기 위해.
• 다양한 감도 가정 하에 LIGO/Virgo가 BH-BH 융합을 탐지할 수 있는지를 평가하기 위해.
• 이론적 융합 속도를 은하간 블랙홀 이진계의 관측 제약 조건과 조율하기 위해.

제안 방법

• 다양한 금속성에서 200만 개의 거대 이중성우를 시뮬레이션하기 위해 StarTrack 인구 합성 코드를 사용하였다.
• 초신성 시뮬레이션, 밀도 높은 천체 형성, 질량 손실 비율을 포함한 업데이트된 항성 물리 모델을 통합하여 30–80 M☉ 블랙홀을 생성하였다.
• 공통 껍질 진화를 두 가지 극단적 가정으로 모델링하였다: 낙관적(모델 A, 억제 없음)과 비관적(모델 B, 허츠프룽 갭 항성에 의한 억제).
• Sloan 디지털 천문도서관 데이터를 기반으로 100% 태양 금속성 또는 10% 태양 금속성, 또는 50–50 혼합 조건에서 은하계 융합 속도를 계산하였다.
• 관측된 X선 이진계 IC10 X-1과 NGC300 X-1의 가시 부피와 X선 활성 수명을 사용하여 실증 융합 속도를 추정하였다.
• 감도 거리(예: 초기 LIGO의 경우 18 Mpc)를 사용하여 융합 속도 밀도를 LIGO/Virgo 탐지율로 변환하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 혼합 금속성 환경을 가진 은하수 유사 은하에서 이중 블랙홀 이진계의 기대 융합 속도는 얼마인가요?
• RQ2 낙관적 모델(A)과 비관적 모델(B) 간의 공통 껍질 진화 가정이 BH-BH 시스템의 예상 형성 속도에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ3 금속성이 감소할수록 이중 블랙홀 이진계의 생존율과 융합 속도는 어떻게 변화하나요?
• RQ4 관측된 X선 이진계 IC10 X-1과 NGC300 X-1에서 유추된 BH-BH 이진계의 실증 융합 속도는 얼마인가요?
• RQ5 감도 한계를 고려할 때, 이론적 예측은 LIGO/Virgo의 기대 탐지율과 어떻게 비교되나요?

주요 결과

• 혼합 금속성 지역 우주(50% 태양 금속성, 50% 10% 태양 금속성)에서 BH-BH 이진계의 예상 은하계 융합 속도는 42.9 Myr⁻¹이다.
• 낙관적 공통 껍질 모델(A)은 0.1 Z☉에서 BH-BH 융합 속도를 84.2 Myr⁻¹로 예측하지만, 비관적 모델(B)은 이를 6.1 Myr⁻¹로 감소시킨다.
• LIGO/Virgo의 감도 거리가 18 Mpc일 경우, 현실적인 50–50 금속성 혼합 조건에서 BH-BH 이진계의 탐지율은 4.9 yr⁻¹이다.
• IC10 X-1과 NGC300 X-1의 실증 분석 결과, 융합 속도 밀도는 0.36⁺⁰.⁵⁰₋₀.²⁶ Mpc⁻³ Myr⁻¹로 도출되었으며, 이는 100 Mpc 범위에서 약 매년 한 번의 탐지에 해당한다.
• 이론적 추정과 실증적 추정이 강하게 일치하며, 양측 모두 이중 밀도 천체에서 BH-BH 이진계가 주요 중력파 소스임을 시사한다.
• 낙관적 모델(A)은 아직 LIGO/Virgo 데이터로 배제되지 않았다. 평균 감도가 낮기 때문( d₀,nsns ≈ 9 Mpc)으로, 이는 기대 탐지율을 약 8배 감소시킨다.