[논문 리뷰] The population of merging compact binaries inferred using gravitational waves through GWTC-3

The LIGO Scientific Collaboration, T. D. Abbott외 1635명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 05.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 215인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 LIGO-Virgo-KAGRA의 첫 번째 세 관측 런(O1–O3) 동안 76개의 컴act 이원 병합을 GWTC-3 카탈로그를 사용하여 인구 수준에서 분석한다. 병합 속도, 질량 및 스핀 분포, 적색편이 진화를 추론하여, z = 0.2에서 이원 블랙홀 병합 속도가 17.9–44 Gpc⁻³ yr⁻¹이며 κ = 2.9⁺¹.⁷₋₁.⁸인 것으로 밝혀졌고, 넓은 중성자별 질량 분포(1.2–2.0 M⊙), 스핀 기울기 및 반대향 스핀에 대한 증거를 제시한다.

ABSTRACT

We report on the population properties of compact binary mergers inferred from gravitational-wave observations of these systems during the first three LIGO-Virgo observing runs. The Gravitational-Wave Transient Catalog 3 contains signals consistent with three classes of binary mergers: binary black hole, binary neutron star, and neutron star-black hole mergers. We infer the binary neutron star merger rate to be between 10 and 1700 Gpc$^{-3} yr$^{-1}$ and the neutron star-black hole merger rate to be between 7.8 and 140 Gpc$^{-3} yr$^{-1}$, assuming a constant rate density in the comoving frame and taking the union of 90% credible intervals for methods used in this work. We infer the binary black hole merger rate, allowing for evolution with redshift, to be between 17.9 and 44 Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$ at a fiducial redshift (z=0.2). The rate of binary black hole mergers is observed to increase with redshift at a rate proportional to $(1+z)^\kappa$ with $\kappa=2.9^{+1.7}_{-1.8}$ for $z\lesssim1$. Using both binary neutron star and neutron star-black hole binaries, we obtain a broad, relatively flat neutron star mass distribution extending from $1.2^{+0.1}_{-0.2}$ to $2.0^{+0.3}_{-0.3}\,M_\odot$. We confidently determine that the merger rate as a function of mass sharply declines after the expected maximum neutron star mass, but cannot yet confirm or rule out the existence of a lower mass gap between neutron stars and black holes. We also find the binary black hole mass distribution has localized over- and underdensities relative to a power-law distribution, with peaks emerging at chirp masses of $8.3^{+0.3}_{-0.5}$ and $27.9^{+1.9}_{-1.8}\,M_\odot$. While we continue to find that the mass distribution of a binary's more massive component strongly decreases as a function of primary mass, we observe no evidence of a strongly suppressed merger rate above approximately $60\,M_\odot$ [abridged]

연구 동기 및 목표

• 중력파 관측을 통해 병합하는 컴팩트 이원 병합체—이원 블랙홀(BBHs), 이원 중성자별(BNSs), 중성자별–블랙홀(NSBH) 시스템—의 인구 수준적 성질을 추론하는 것.
• 지역 우주에서 BNS 및 NSBH의 병합 속도를 추정하며, 속도 밀도 및 적색편이 진화에 대한 불확실성을 고려하는 것.
• 컴팩트 이원 병합체의 질량 및 스핀 분포를 특성화하며, BBH 질량 함수에서 과밀도 및 저밀도에 대한 증거를 포함하는 것.
• BBH 병합 속도의 적색편이 진화를 조사하고 질량 갭 또는 스핀 정렬 경향을 테스트하는 것.
• 베이지안 추론을 통해 중력파 데이터를 분석하여 스핀–질량 상관관계 및 기울기의 존재 여부를 평가하는 것.

제안 방법

• GWTC-3에서 기각률이 1년 미만인 76개의 고신뢰도 중력파 사건을 사용하여, 베이지안 계층적 추론 프레임워크를 적용하여 컴팩트 이원 병합체의 인구를 모델링한다.
• 구성 요소 질량과 신호 일관성에 기반하여 이벤트를 BBH, BNS, NSBH로 분류하기 위해 혼합 모델을 적용하며, GW190814는 가능성이 있는 NSBH 또는 BBH로 간주된다.
• 유연한 매개변수 모델을 사용하여 질량 분포를 모델링하며, 단순 거듭제곱 법칙에 비해 과밀도 및 저밀도를 탐지하기 위해 거듭제곱 법칙 및 끊어진 거듭제곱 법칙 형태를 포함한다.
• BBH 병합 속도의 적색편이 진화를 (1 + z)ᵏ 비례로 모델링하며, 비모수적 사전 분포를 사용하여 데이터로부터 k를 추론한다.
• 스핀 크기 및 방향 매개변수(χ₁, χ₂, χ_eff, cos(θ₁), cos(θ₂))를 인구 모델에 통합하여 정렬 및 기울기 경향을 평가한다.
• 다양한 추론 방법의 90% 신뢰구간을 통합하여 신뢰성 있는 속도 추정치를 보고하며, 불확실성 전파를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지역 우주(z ≈ 0)에서 이원 중성자별(BNSs) 및 중성자별–블랙홀(NSBH) 시스템의 병합 속도 밀도는 얼마인가요?
• RQ2 이원 블랙홀(BBH) 병합 속도는 적색편이에 따라 어떻게 변화하며, (1 + z)ᵏ 관계에서 최적의 거듭제곱 지수 κ는 얼마인가요?
• RQ3 중성자별 질량 분포의 형태는 어떻게 되며, 중성자별과 블랙홀 사이에 하한 질량 갭이 존재하는가에 대한 증거는 있는가요?
• RQ4 BBH 질량 함수에서 局소 과밀도 및 저밀도는 어디에 있으며, 이들의 찌르프 질량 값은 얼마인가요?
• RQ5 블랙홀 스핀 크기 및 방향 분포는 어떻게 되며, 스핀 기울기 또는 반대향 스핀에 대한 증거는 있는가요?

주요 결과

• 이원 중성자별(BNS) 병합 속도는 10–1700 Gpc⁻³ yr⁻¹이며, NSBH 병합 속도는 7.8–140 Gpc⁻³ yr⁻¹이며, 모두 다수의 추론 방법에서의 90% 신뢰구간을 기반으로 한다.
• z = 0.2에서 이원 블랙홀(BBH) 병합 속도는 17.9–44 Gpc⁻³ yr⁻¹이며, z ≲ 1 범위에서 적색편이 진화 지수 κ = 2.9⁺¹.⁷₋₁.⁸이다.
• 중성자별 질량 분포는 넓고 비교적 평탄하며, 1.2⁺⁰.¹₋₀.²에서 2.0⁺⁰.³₋₀.³ M⊙까지 이르며, 최대 중성자별 질량 이후 급격한 감소가 관측된다.
• BBH 질량 함수에서 찌르프 질량 8.3⁺⁰.³₋₀.⁵ M⊙와 27.9⁺¹.⁹₋₁.⁸ M⊙에서 국소 과밀도 및 저밀도가 확인된다.
• 60 M⊙ 이상 병합 속도가 억제되는 것은 강력한 증거가 없으며, 이는 블랙홀에 상한 질량 갭이 존재하지 않음을 뒷받침하지 못한다.
• 블랙홀 스핀은 주로 작다(50% 이상 χᵢ ≈ 0.25 이하), 반대향 스핀에 대한 증거가 있으며, 질량 비율이 불균형한 시스템일수록 스핀 크기가 증가하는 경향이 있다.