[论文解读] Don't fall into the gap: GW190521 as a straddling binary

M. Fishbach, D. E. Holz|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 26被引用 11

一句话总结

本文提出，GW190521 是一个跨越对超新星质量间隙（PISN）的双黑洞系统，其中一个黑洞位于 50–120 M⊙ 的质量间隙内，另一个则位于其外。通过贝叶斯推断与保守先验，研究显示双质量间隙双黑洞的可能性低于跨越配置，表明 GW190521 并未违反恒星演化模型，反而揭示了一类跨越 PISN 质量间隙的新双黑洞类型。

ABSTRACT

Models for black hole (BH) formation from stellar collapse robustly predict the existence of a pair-instability supernova (PISN) mass gap: black holes cannot be born with masses in the range $50\,M_\odot\lesssim m\lesssim 120\,M_\odot$. The reported mass of GW190521's primary black hole, $m_1=85^{+21}_{-14}\,M_\odot$, falls squarely within this mass gap. Moreover, under the same uninformative priors used for $m_1$, GW190521's secondary black hole is also likely in the PISN mass gap ($m_2>50\,M_\odot$ at 93\% confidence). Even in proposed scenarios which can produce BHs in the PISN gap, double mass-gap binary black holes (BBHs) are expected to be rare. We consider the more conservative alternative that GW190521's secondary BH belongs to the population of BHs previously observed by LIGO/Virgo, finding $m_2 120\,M_\odot$, or 25\% probability for $m_1>130\,M_\odot$). This is because the total mass of the system is better constrained than the individual masses. As long as the prior odds for a double-mass-gap BBH are smaller than $\sim1:15$, it is more likely that GW190521 straddles the PISN gap. Alternatively, if we assume a gap width of $\gtrsim75\,M_\odot$ as predicted from stellar evolution, and assume that both components of GW190521 are formed from stellar collapse, we again find that GW190521's BHs straddle the mass gap, with the upper edge of the gap above $116\,M_\odot$ (90\% credibility). We argue that GW190521 may not present a fundamental challenge to our understanding of stellar evolution and collapse. Instead, GW190521 may be the first example of a straddling binary black hole, composed of a conventional stellar mass BH and a BH from the far side of the PISN mass gap.

研究动机与目标

• 解决 GW190521 主要黑洞质量（85 M⊙）位于 PISN 质量间隙内这一明显矛盾，而根据恒星坍缩模型，该间隙内不应形成黑洞。
• 评估观测到的双黑洞更可能是双质量间隙双黑洞，还是仅一个组分位于间隙内、另一个位于间隙外的跨越双黑洞配置。
• 检验假设：GW190521 无需引入新物理，而是反映了通过恒星坍缩形成的罕见但可能的黑洞配置。
• 在保守先验和恒星演化约束下，量化跨越双黑洞相对于双间隙双黑洞的可能性。

提出的方法

• 对 LIGO/Virgo 探测到的 GW190521 引力波数据应用贝叶斯推断与非信息先验，以估计各组分质量的后验分布。
• 利用可信区间和似然比，评估两个黑洞均位于 PISN 质量间隙（50–120 M⊙）的概率，与仅一个黑洞位于间隙内的概率进行比较。
• 比较双质量间隙双黑洞与跨越双黑洞的似然比，发现当先验似然比低于约 1:15 时，后者更可能成立。
• 利用恒星演化模型估算 PISN 质量间隙的上边界，假设间隙宽度 ≥75 M⊙，并计算该间隙上边界 90% 可信区间。
• 评估系统总质量约束作为降低单个质量不确定性的重要因素，支持跨越解释。
• 在不同间隙宽度和形成路径假设下，测试跨越假设的稳健性，包括早期 LIGO/Virgo 检测中可能存在的次级黑洞。

实验结果

研究问题

• RQ1 GW190521 更可能是双质量间隙双黑洞，还是仅一个黑洞位于 PISN 质量间隙内、另一个位于其外的跨越双黑洞？
• RQ2 在非信息先验下，GW190521 两个组分均位于 PISN 质量间隙内的概率是多少？
• RQ3 系统的总质量如何约束单个质量，并影响跨越配置的可能性？
• RQ4 若 GW190521 是跨越双黑洞而非双间隙系统，对恒星演化有何影响？
• RQ5 该观测系统能否通过标准恒星坍缩模型解释，而无需引入奇异形成机制？

主要发现

• 在非信息先验下，GW190521 次要黑洞位于 PISN 质量间隙内的概率为 93%，表明两个组分很可能均位于间隙内。
• 然而，双质量间隙双黑洞的先验似然比必须低于约 1:15，跨越配置才更可能成立，这是一个保守阈值。
• 在恒星演化预测的间隙宽度 ≥75 M⊙ 的假设下，PISN 质量间隙上边界 90% 可信区间高于 116 M⊙，支持跨越解释。
• GW190521 的总质量比单个质量约束更紧密，这降低了不确定性并更有利于跨越情景。
• 分析表明，即使在保守假设下，GW190521 更可能是跨越双黑洞而非双间隙双黑洞。
• 本文结论认为，GW190521 并未违背标准恒星演化模型，反而可能代表首个观测到的跨越 PISN 质量间隙的双黑洞系统。