[論文レビュー] Forward Modelling the O3a GW transient mass distributions with BPASS by varying compact remnant mass and SNe kick prescriptions

Sohan Ghodla, Wouter G. J. van Zeist+3 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、LIGO/VirgoのO3aランの重力波（GW）遷移源集団を前向きモデル化するためにBPASSコードを用い、コンパクトな残骸質量推定値と超新星キックの規定を変化させた。観測されたチルプ質量および質量比分布を完全に再現する単一のモデルは存在しないが、質量ギャップ付近の低質量ブラックホールを減らし、ペア不安定性限界以下の高質量ブラックホールを増やすことで、より良い一致が得られ、中性子星とブラックホールではキック規定が異なっていることが示唆された。

ABSTRACT

We present forward modelling from the extsc{bpass} code suite of the population of observed gravitational wave (GW) transients reported by the LIGO/VIRGO consortium (LVC) during the first half of their third observing run (O3a). Specifically, we predict the expected chirp mass and mass ratio distributions for GW transients, taking account of detector sensitivity to determine how many events should have been detected by the current detector network in O3a. We investigate how these predictions change by alternating between four different remnant mass estimation schemes and two supernovae (SNe) kick prescriptions. We find that none of the model populations resulting from these variations accurately match the whole O3a GW transient catalog. However, agreement from some models to part of the catalog suggests ways to achieve a more complete fit. These include reducing the number of low mass black holes (BHs) close to the mass gap, while also increasing the number of higher mass BHs below the pair-instability SN limit. Finally, we find that the interaction between the value of the remnant mass from a stellar model and the choice of SN kick is complex, and different kick prescriptions may be required depending on whether a neutron star or BH is formed.

研究の動機と目的

• O3a観測ランにおけるGW遷移源の期待されるチルプ質量および質量比分布を、BPASSのスターポピュレーション合成コードを用いて予測すること。
• 検出器感度がO3aカタログにおける検出可能なイベント数に与える影響を評価すること。
• 4つの異なるコンパクト残骸質量推定スキームと2つの超新星キック規定がモデル予測に与える影響を評価すること。
• 観測されたGW遷移源カタログ、特にチルプ質量および質量比分布において、よりよく一致するモデルの変更を同定すること。
• 中性子星とブラックホールの形成に応じて、残骸質量推定と超新星キック規定の相互作用がどのように異なるかを調査すること。

提案手法

• コンパクト二重星系の形成を模擬するために、BPASSスターポピュレーション合成コードを用いて前向きモデリングを実施した。
• モデルは検出器感度曲線を組み込み、O3a期に検出可能であったGW遷移源の数を推定した。
• 中性子星およびブラックホールの予測質量を変化させるために、4つの異なる残骸質量推定スキームを適用した。
• 二重星の進化と合体率に及ぼすナイトラルキックの影響を調査するために、2種類の超新星キック規定を用いた。
• 予測されたチルプ質量および質量比分布を、観測されたO3a GW遷移源カタログと比較し、モデルの整合性を評価した。
• 残骸質量推定とキック規定の相互作用を分析し、中性子星とブラックホールの形成に応じて異なるキックモデルが求められるかどうかを検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるコンパクト残骸質量推定スキームは、O3aにおけるGW遷移源のチルプ質量および質量比分布にどのように影響するか？
• RQ2 超新星キック規定を変化させると、O3aカタログにおけるGW遷移源の検出可能性および分布にどのような影響を与えるか？
• RQ3 現在のBPASSモデルは、チルプ質量および質量比の観点から、O3a GW遷移源カタログ全体をどの程度再現できるか？
• RQ4 観測されたGW遷移源集団との一致を高めるために、残骸質量およびキック規定にどのような調整が必要か？
• RQ5 最適なキック規定は、形成されるコンパクト残骸の種別（中性子星対ブラックホール）に依存する可能性があるか？

主な発見

• 残骸質量推定スキームと超新星キック規定の組み合わせとして、観測されたO3a GW遷移源カタログのチルプ質量および質量比分布を完全に再現するものは存在しない。
• 観測結果との一致を高めるには、質量ギャップ付近の低質量ブラックホールを減らし、ペア不安定性超新星限界以下の高質量ブラックホールを増やす必要がある。
• 残骸質量推定と超新星キック規定の相互作用は複雑であり、中性子星とブラックホールの形成に応じて異なるキックモデルが求められる可能性がある。
• 本研究は、現在のモデルが観測された分布を完全に説明できないこと、すなわちコンパクト残骸形成物理学に関する理解の欠落を示している。
• 検出器感度は、モデル予測をキャリブレーションする上で重要な役割を果たしており、O3aにおける検出可能なイベント数を決定づける。
• 結果から、今後の残骸質量およびキック規定の改善が、観測されたGW遷移源集団と一貫した一致を得るためには不可欠であることが示唆された。