[논문 리뷰] Are the observed black hole mergers spins consistent with field binary progenitors?

Kenta Hotekezaka, Tsvi Piran|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 27.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 7인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 이원 블랙홀 합성에서 관측된 낮은 효과적 스핀 값이 월프-레일레트 항성과 관련된 필드 이원별 진화 시나리오와 일관된지를 조사한다. 표준 필드 이원별 모델은 높은 스핀 합성을 다수 예측하지만, 공통 염료 진화와 항성 바람에 대한 불확실성이 낮은 스핀 결과를 만들어낼 수 있으며, 이는 현재 관측치가 필드 이원별 형성 가능성을 배제하기에는 충분하지 않음을 시사한다.

ABSTRACT

One of the puzzles in the recent observations of gravitational waves from binary black hole mergers is the observed low (projected) spins of the progenitor black holes. In two of the four events, GW150914, and the recent GW170104, the observed spins are most likely negative (but consistent with zero). In the third case LVT151012 it is practically zero and only in the forth case, GW151226, the spin is positive but low. These observations are puzzling within the field binary scenario in which positive higher spins are expected. Considering the most favorable Wolfe Rayet (WR) progenitors we estimate the expected spin distribution for different evolution scenarios and compare it to the observations. With typical parameters one expects a significant fraction ($\ge 25\%$) of the mergers to have high effective spin values. However due to uncertainties in the outcome of the common envelope phase (typical separation and whether the stars are rotating or not) and in the late stages of massive star evolution (the strength of the winds) one cannot rule our scenarios in which the expected spins are low. While observations of high effective spin events will support this scenario, further observations of negative spin events would rule it out.

연구 동기 및 목표

• LIGO/Virgo 이원 블랙홀 합성에서 관측된 낮은 효과적 스핀이 표준 필드 이원별 진화 모델과 불일치하는지 평가하기.
• tidal 동기화, 공통 염료 진화, 항성 바람 질량 손실이 최종 블랙홀 스핀 분포에 미치는 영향 평가하기.
• 합리적인 천체물리적 불확실성이 있는 조건에서 관측된 낮은 스핀 사건이 여전히 필드 이원별 원천에서 기인할 수 있는지 판단하기.
• 관측된 스핀 긴장이 있음에도 불구하고 필드 이원별 모델이 생존 가능한 조건을 규명하기.

제안 방법

• 합성 시간스케일 공식을 사용하여 블랙홀 이원이 허블 시간 내에 합성되도록 하기 위한 초기 이심률을 추정한다.
• 조우의 동기화가 인력에 의해 동기화된다고 가정하여 블랙홀 형성 시 원천 항성의 스핀 파라미터를 계산한다.
• 공통 염료 단계 동안의 스핀 진화를 고려하여 원천 질량, 궤도 분리, 스핀 진화 함수로 효과적 스핀 파라미터 $\chi_{\rm eff}$ 를 모델링한다.
• 관측된 월프-레일레트 항성과 일치하는 바람률을 사용하여 항성 바람 질량 손실이 각운동량 제거에 미치는 영향을 평가한다.
• GW150914, GW151226, LVT151012, GW170104에서 관측된 값과 비교하여 다양한 형성 시나리오(예: 일정, SFR, LGRB 유도율)에 따른 예측된 $\chi_{\rm eff}$ 분포를 평가한다.
• 공통 염료 결과와 바람 강도에 대한 다양한 가정 하에 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 스핀 분포를 생성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 이원 블랙홀 합성에서 낮은 효과적 스핀은 표준 필드 이원별 진화 모델과 불일치하는가?
• RQ2 공통 염료 진화와 항성 바람 질량 손실에 대한 불확실성이 필드 이원별 시나리오에서 낮은 관측 스핀을 설명할 수 있는가?
• RQ3 동기화된 원천을 가진 가장 유리한 필드 이원별 모델에서 고효과적 스핀($>0.4$)을 보이는 합성 비율은 얼마인가?
• RQ4 다른 형성률 가정(예: SFR, LGRB, 일정)이 예측된 $\chi_{\rm eff}$ 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 최종 합성 블랙홀의 스핀이 낮게 관측된다면 필드 이원별 모델은 여전히 생존 가능한가?

주요 결과

• 표준 필드 이원별 모델은 둘 다 동기화된 원천을 가진다면 적어도 25%의 합성이 높은 효과적 스핀($>0.4$)을 가져야 한다고 예측한다.
• 기준 매개변수를 사용하더라도 관측된 스핀 분포는 필드 이원별 기대치와 긴장이 있지만, 통계적 불확실성으로 인해 명백한 배제는 불가능하다.
• 강한 또는 중간 정도의 바람(예: $\sim10^{-4.5} M_\odot/\text{yr}$)은 최종 스핀을 감소시키고 모델과 관측치를 조율할 수 있으며, 특히 공통 염료 단계 이후 비회전 원천에서 특히 그렇다.
• 더 긴 최소 시간 지연(더 큰 초기 분리)은 도움이 되지만, 낮은 스핀 결과를 만드는 데는 충분하지 않으며, 바람 효과가 일관성을 확보하는 데 필수적이다.
• 관측된 $\chi_{\rm eff}$ 값은 바람 질량 손실과 공통 염료 결과에 대한 불확실성이 있을 경우 일부 필드 이원별 모델과 일치한다.
• 음수의 $\chi_{\rm eff}$ 값은 강한 탄도 킥이 동반되지 않는 한 필드 이원별 진화와 조율하기 어려우며, 이러한 사건은 시나리오를 배제할 수 있음을 시사한다.