[논문 리뷰] Which black hole formed first? Mass-ratio reversal in massive binary stars from gravitational-wave data

Matthew Mould, Davide Gerosa외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 24.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 68인용 수 41

한 줄 요약

이 연구는 LIGO/Virgo의 중력파 데이터를 사용하여, 질량 비가 역전되는 현상—즉, 처음에는 덜 무거운 별이 더 무거운 블랙홀을 형성하는 현상—이 대량 이중성 시스템에서 발생했는지 여부를 조사한다. 비동일한 스핀 분포와 스핀이 극히 작은 하위집단을 모델링함으로써, 저자들은 이러한 시스템에 대한 유의미한 증거를 발견하지 못했으며, 질량 비가 역전되는 비율이 99% 신뢰구간에서 <32% 이하로 제약됨을 확인하였다. 한편, χ ≈ 0.2–0.3 범위에서 관측된 강력한 스핀 피크는 현재의 형성 모델로는 설명되지 않는다.

ABSTRACT

Population inference of gravitational-wave catalogues is a useful tool to translate observations of black-hole mergers into constraints on compact-binary formation. Different formation channels predict identifiable signatures in the astrophysical distributions of source parameters, such as masses and spins. One example within the scenario of isolated binary evolution is mass-ratio reversal: even assuming efficient core-envelope coupling in massive stars and tidal spin-up of the stellar companion by the first-born black hole, a compact binary with a lighter, non-spinning first-born black hole and a heavier, spinning second-born black hole can still form through mass transfer from the initially more to less massive progenitor. Using current LIGO/Virgo observations, we measure the fraction of sources in the underlying population with this mass-spin combination and interpret it as a constraint on the occurrence of mass-ratio reversal in massive binary stars. We modify commonly used population models by including negligible-spin subpopulations and, most crucially, non-identical component spin distributions. We do not find evidence for subpopulations of black holes with negligible spins and measure the fraction of massive binary stars undergoing mass-ratio reversal to be consistent with zero and $<32\%$ ($99\%$ confidence). The dimensionless spin peaks around $0.2\unicode{x2013}0.3$ appear robust, however, and are yet to be explained by progenitor formation scenarios.

연구 동기 및 목표

• 대량 이중성 별에서 질량 비가 역전이 일어났는지 여부를 규명하는 것—즉, 처음에는 덜 무거운 별이 더 무거운 블랙홀을 형성하는가.
• 관측된 중력파 신호가 비동일한 스핀 분포와 스핀이 극히 작은 하위집단의 흔적을 보이는지 테스트하는 것.
• 현재 LIGO/Virgo 관측 자료를 바탕으로 질량 비가 역전된 이중 블랙홀 시스템의 비율을 제약하는 것.
• 비동일한 스핀 분포와 스핀이 극히 작은 하위집단을 고려할 때, 이전에 보고된 χ ≈ 0.2–0.3 근처의 스핀 크기 과잉집합이 얼마나 견고한지 평가하는 것.

제안 방법

• LIGO/Virgo의 GWTC-2.1 카탈로그에 포함된 69개의 신뢰할 수 있는 이중 블랙홀 사건에 계층적 베이지안 추론을 적용하였다.
• 주 및 보조 블랙홀에 대해 비동일한 스핀 분포를 허용하는 수정된 인구 모델을 사용하여, 별도의 스핀 크기 매개변수를 허용하였다.
• 스핀이 극히 작은 하위집단을 0에 대한 피크를 통해 포함하였으며, 그 점유율을 테스트하였다.
• 몬테카를로 적분을 사용하여 인구의 우도를 계산하였으며, 주입된 신호로부터 재가중한 단일 사건 사후확률 및 탐지 확률을 활용하였다.
• gwpopulation, bilby, 및 dynesty를 사용하여 사후분포를 샘플링하였으며, 인구 매개변수에 대해 정보가 없는 사전분포를 사용하였다.
• 비동일한 스핀과 스핀이 극히 작은 성분을 포함하거나 포함하지 않는 모델을 비교하여 질량 비가 역전에 대한 증거를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LIGO/Virgo 카탈로그의 이중 블랙홀 병합 사건 중에서, 더 무거운, 스핀이 있는 보조 블랙홀과 더 가벼운, 스핀이 없는 주 블랙홀을 보이는 경우가 질량 비가 역전의 증거로 간주될 수 있는 비율은 얼마인가?
• RQ2 현재 중력파 관측 결과는 질량 비가 역전 시나리오에 의해 예측되는 스핀이 극히 작은 블랙홀 하위집단의 존재를 지지하는가?
• RQ3 비동일한 스핀 분포와 스핀이 극히 작은 하위집단을 고려할 때, χ ≈ 0.2–0.3 근처에서 관측된 블랙홀 스핀 크기 과잉집합은 얼마나 견고한가?
• RQ4 병합하는 블랙홀의 스핀 구성은 블랙홀의 형성 순서를 추론하는 데 사용될 수 있는가, 특히 더 무거운 블랙홀이 두 번째로 형성되었는지 여부를 판단하는 데에?

주요 결과

• 질량 비가 역전을 겪은 이중 블랙홀 시스템의 비율은 99% 신뢰구간에서 <32%로 제약되었으며, 현재 데이터에서는 이러한 시스템에 대한 유의미한 증거가 없다.
• 스핀이 극히 작은 블랙홀 하위집단에 대한 강력한 지지가 없으며, 주 블랙홀의 0 스핀 점유율은 <46%, 보조 블랙홀의 경우 <36%이다.
• 더 무거운 블랙홀에 유의미한 스핀이 있고, 더 가벼운 블랙홀에 스핀이 극히 작은 시스템의 본질적 비율은 <32%이며, 이를 MRR 비율로 해석한다.
• 비동일한 스핀 분포와 스핀이 극히 작은 성분을 허용함에도 불구하고, 이전에 보고된 χ ≈ 0.2–0.3 근처의 스핀 크기 과잉집합은 여전히 견고하다.
• 사후분포는 차원 없는 스핀이 모두 >0.6인 이중성에 대해 지지가 없음을 보여주며, 이러한 시스템은 매우 불가능한 것으로 나타났다.
• 결과는 질량 비가 역전이 고립된 이중성 진화에서 흔하지 않거나, 고립된 이중성 진화 모델의 표준 가정을 재고할 필요가 있음을 시사한다.