[논문 리뷰] Black Hole Mergers from Globular Clusters Observable by LISA and LIGO: Results from post-Newtonian Binary-Single Scatterings

Johan Samsing, Daniel J. D’Orazio외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 23.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 28

한 줄 요약

이 연구는 구형별집단 내 삼체 상호작용을 통해 형성된 블랙홀 병합에서 발생하는 중력파(GW) 신호를 N-body 시뮬레이션에서 후뉴턴적(PN) 보정을 사용하여 조사한다. 그 결과, 이러한 병합 중 5–10%가 0.1 Hz 이상의 주파수에서 발생하여 LISA 대역을 거치지 않고 직접 LIGO 대역에 진입함을 밝혀내었으며, 이는 역학적으로 형성된 이원 블랙홀 이진계와 고립된 필드 이진계를 구별할 수 있는 고유한 관측적 서명을 제공한다.

ABSTRACT

We study the gravitational wave (GW) frequency and chirp mass distribution of binary black hole (BBH) mergers assembled through three-body interactions in globular clusters (GCs), when GW emission at the 2.5 post-Newtonian (PN) level is included in the $N$-body equation-of-motion (EOM). From performing $\\sim 2.5\ imes10^{6}$ PN binary-single interactions based on GC data from the `MOCCA-Survey Database I' project, and by the use of analytical methods, we find that $5-10\\%$ of all the three-body assembled GC BBH mergers have a GW frequency at formation that is $\\gtrsim 10^{-1}$ Hz, implying they enter the LIGO band without having drifted through the LISA band first. If PN terms are not included in the EOM, one finds instead that all BBH mergers drifts through both LISA and LIGO. As the fraction of BBH mergers that only show up in LIGO is expected to be $\\sim 0\\%$ for standard field binary BBH mergers, future joint measurements with LISA and LIGO can be used to gain insight into the formation of BBH mergers.

연구 동기 및 목표

• 구형별집단 내 블랙홀 병합에서 N-body 운동 방정식에 적용된 후뉴턴(PN) 보정이 중력파 주파수 분포에 미치는 영향을 규명하는 것.
• 이원 블랙홀(BBH) 병합 중 LISA 대역을 거치지 않고 직접 LIGO 대역에 진입하는 비율을 평가하는 것.
• 다중 대역 중력파 관측을 통해 역학적으로 조립된 BBH와 고립된 필드 이진계를 구별하는 것.
• 2.5PN 수준의 중력파 복사가 공진하는 이원-일반 상호작용 기간 동안 고주파 병합을 가능하게 하는 역할을 정량화하는 것.
• 미래의 LISA 및 LIGO 공동 관측을 위한 예측 프레임워크를 제공하여 BBH 형성 채널을 제약하는 것.

제안 방법

• MOCCA-Survey Database I의 자료를 활용해 약 250만 건의 후뉴턴적 보정이 된 이원-일반 상호작용을 시뮬레이션하였다.
• N-body 운동 방정식에 2.5 후뉴턴(PN) 항을 적용하여 궤도 진화에 대한 상대론적 효과를 모델링하였다.
• 모든 시뮬레이션된 BBH 시스템의 병합 시 중력파 주파수와 치르프 질량을 추적하였다.
• 특히 공진하는 삼체 상호작용에 중점을 두어 수치 결과를 검증하고 해석하기 위해 분석적 방법을 사용하였다.
• 후뉴턴 보정이 있는 경우와 없는 경우를 비교하여 상대론적 중력파 복사가 병합 주파수 분포에 미치는 영향을 분리하였다.
• LISA 및 LIGO 주파수 대역에서 BBH 병합의 분포를 모델링하여 탐지 가능성과 형성 경로 서명을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구형별집단 내 삼체 상호작용을 통해 형성된 이원 블랙홀 병합 중 LISA 대역을 거치지 않고 직접 LIGO 대역에 진입하는 비율은 얼마인가?
• RQ2 N-body 운동 방정식에 2.5 후뉴턴(PN) 항을 포함시키면 BBH 병합의 중력파 주파수 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 일부 LIGO 관측 BBH 병합에서 LISA 대역 신호가 관측되지 않는 것은 구형별집단 내 역학적 형성의 증거로 간주될 수 있는가?
• RQ4 공진하는 이원-일반 상호작용 기간 동안 형성된 중력파 포착 병합은 표준 필드 이진 병합과 주파수 분포에서 어떻게 다를까?
• RQ5 구형별집단에서 기인한 BBH 병합 중 LISA에서는 탐지되지 않지만 LIGO에서는 탐지될 수 있는 비율은 얼마인가?

주요 결과

• 구형별집단 내 삼체 상호작용을 통해 형성된 이원 블랙홀 병합 중 5–10%가 중력파 주파수 ≥0.1 Hz에서 발생하여 직접 LIGO 대역에 진입한다.
• 후뉴턴 보정이 없는 경우, 이러한 병합은 모두 LISA 및 LIGO 대역을 거쳐가므로, 고주파 수용 인구를 형성하기 위해 PN 항이 필수적임을 시사한다.
• 2.5PN 항의 포함으로 LISA 대역을 완전히 건너뛰는 병합 형성이 가능해지며, 이는 뉴턴 역학 시뮬레이션에서는 관찰되지 않는 특성이다.
• 이 고주파 수용 인구는 공진하는 이원-일반 상호작용 기간 동안 중력파 포착 병합에서 기인하며, 이는 전적으로 상대론적 역학이 해석 가능한 채널 뿐이다.
• LISA 대역을 회피하는 병합 비율은 표준 필드 이진 형성에서는 약 0%로 예상되므로, 이는 역학적 조립의 고유한 관측적 서명이다.
• 미래의 LISA 및 LIGO 공동 관측은 관측된 BBH 병합률에 대한 역학적 형성 채널과 고립 이진 형성 채널의 기여도를 제약하는 데 기여할 수 있다.