[論文レビュー] Black hole mergers of AGN origin in LIGO/Virgo's O1-O3a observing periods

V. Gayathri, Yi Yang+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 64被引用数 55

ひとこと要約

本研究では、LIGO/VirgoのO1-O3aランの間に検出されたブラックホール合体が、一般の天体物理学的集団分布よりもアクティブ銀河核（AGN）ディスク由来である可能性をベイジアンモデル比較を用いて評価する。25%のイベントが強力な統計的優位性（ベイズ因子 >10）を示し、合体率は2.8 ± 1.8 Gpc⁻³yr⁻¹であると判明した。また、AGNは観測された質量分布、特にペア不安定性質量ギャップ（M ≳50 M⊙）内の合体を説明できることも示している。

ABSTRACT

The origin of the black hole mergers detected by LIGO and Virgo remains an open question. While the unusual mass and spin of a few events constrain their possible astrophysical formation mechanisms, it is difficult to classify the bulk of the observed mergers. Here we consider the distribution of masses and spins in LIGO/Virgo's first and second observing catalogs, and find that for a significant fraction (25%) of these detected events, an AGN-disk origin model is preferred over a parametric mass-spin model fit to the full GWTC-2 merger sample (Bayes factor $\mathcal{B}>10$). We use this to estimate the black hole merger rate in AGNs to be about $2.8\pm 1.8$\, Gpc$^{-3}$yr$^{-1}$, comparable to theoretical expectations. We find that AGNs can explain the rate and mass distribution of the observed events with primary black hole mass in the pair-instability mass gap ($M\gtrsim50$\, M$_\odot$).

研究の動機と目的

• LIGO/VirgoのO1-O3aランで観測された二重ブラックホール合体集団が、一般の天体物理学的集団分布よりもアクティブ銀河核（AGN）ディスク由来である可能性がより高いかどうかを特定すること。
• AGNディスク環境が観測された合体率および質量スピン分布に果たす寄与を定量化すること。
• AGN由来モデルが、特にペア不安定性質量ギャップ（M ≳50 M⊙）内の質量を持つイベントを説明できるかどうかをテストすること。
• 全GWTC-2サンプルから得られたパラメトリック質量スピン分布を用いたベイジアンモデル比較により、AGN由来モデルの尤もらしさを比較すること。

提案手法

• 個々の重力波イベントに対してベイジアンモデル比較を適用し、AGNディスク形成モデル（モデルA）と一般の集団質量スピンモデル（モデルB）の間のベイズ因子を計算した。
• 重力波データから得られた二重ブラックホールパラメータ（チルプ質量、質量比、効果的スピン、予想されるスピン）の後確率分布を用いて、モデル証拠を計算した。
• 初期軌道からディスク貫徹軌道へと移行する過程を組み込んだ、軌道進化およびスピン整列モデルを用いて、AGNディスク内でのブラックホールおよび中性子星の動力学をシミュレートした。
• 幾何学的に薄く、光学的に厚く、放射的に効率的な降着ディスクを仮定し、α = 0.1およびε = 0.1とした。また、0.1 Eddington降着率の10⁶ M⊙の超大質量ブラックホールを想定した。
• Yangら（2020年）およびTagawaら（2020b,a）の結果を用いて、AGNディスク内で形成される合体の期待される質量およびスピン分布を計算した。ブラックホールおよび中性子星の初期質量関数を組み込んだ。
• 相対的なモデル支持を評価するため、ベイズ因子B = P(data|AGNモデル) / P(data|集団モデル)を計算した。B > 10はAGN由来の強い支持を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LIGO/VirgoのO1-O3aランにおける二重ブラックホール合体のうち、一般の集団モデルと比較してAGN降着ディスク由来であるという統計的優位性が強く示される割合はどれくらいか？
• RQ2 AGNディスク環境は、観測されたブラックホール合体の質量およびスピン分布、特にペア不安定性質量ギャップ内のものも含めて再現可能か？
• RQ3 観測されたLIGO/Virgoのイベントと整合するAGN内のブラックホール合体率はどれくらいか？
• RQ4 AGN由来モデルは、全GWTC-2サンプルの経験的質量スピン分布と比較して、尤もらしさが高いか？
• RQ5 AGNディスクの動力学は、高質量の主ブラックホールを持つGW190521のようなイベントの観測的性質を説明できるか？

主な発見

• LIGO/VirgoのO1-O3aランで検出された二重ブラックホール合体の25%が、一般の集団モデルと比較してAGNディスク由来であるという強い統計的優位性（ベイズ因子 >10）を示している。
• 推定されるAGN内でのブラックホール合体率は2.8 ± 1.8 Gpc⁻³yr⁻¹であり、理論的予測と整合的である。
• AGNディスクモデルは、観測された質量分布、特にペア不安定性質量ギャップ内（M ≳50 M⊙）の合体を説明できる。
• GW190521やGW190519のようなイベントは、AGNモデルに対して高いベイズ因子（>10）を示しており、AGN由来のシナリオが強く支持されている。
• チルプ質量、効果的スピン、予想されるスピンの連合分布を説明する点で、AGNモデルは顕著な割合のイベントにおいて一般の集団モデルを上回っている。
• 本研究は、AGNディスク環境が、観測されたブラックホール合体の大部分にとって実現可能で統計的に好ましい形成チャネルであることを示している。