[论文解读] Hierarchical Formation Of An Intermediate Mass Black Hole Via Seven Mergers: Implications For GW190521

Oliver Anagnostou, Michele Trenti+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 13被引用 9

一句话总结

本文提出，在GW190521引力波事件中观测到的中等质量黑洞（IMBH）是通过密集星团中七次连续双黑洞并合的分级并合链形成的。利用N体模拟，研究显示这种形成路径可在60亿年内形成约97.8 M⊙的IMBH，在典型球状星团中发生的概率为1%–10%，与GW190521观测到的并合率一致。

ABSTRACT

The gravitational wave event GW190521 involves the merger of two black holes of $\sim 85 ext{M}_\odot$ and $\sim 66 ext{M}_\odot$ forming an intermediate-mass black hole (IMBH) of mass $\sim 142 ext{M}_\odot$. Both progenitors are challenging to explain within standard stellar evolution as they belong to the upper black-hole mass gap. We propose a dynamical formation pathway for this IMBH based on multiple hierarchical mergers of progenitors in the core of a dense star cluster. We identified such scenarios from analysis of a set of 58 direct N-body simulations using NBODY6-gpu. In one of our canonical runs aimed at describing the evolution of a star cluster with $N=10^5$ stars and typical globular cluster properties, we observe a stellar black hole undergoing a chain of seven binary mergers in 6 Gyr, attaining a final mass of $97.8 ext{M}_\odot$. We discuss the dynamical interactions that lead to the final IMBH product, as well as the evolution of the black hole population in that simulation. From the analysis of all simulations in our dataset we observe additional smaller chains, tentatively inferring that an IMBH formation through chain mergers is expected in the lifetime of a typical (i.e. median mass) globular cluster with probability $0.01 \lesssim p \lesssim 0.1$. Using this order-of-magnitude estimate and comoving star formation rates we show our results are broadly consistent with the mean rate implied by GW190521, and we discuss implications for future gravitational wave detections of IMBHs.

研究动机与目标

• 解释在GW190521引力波事件中观测到的中等质量黑洞（IMBH）的形成机制，该过程涉及处于质量间隙上端的黑洞。
• 研究在致密恒星环境中，分级并合是否能产生与GW190521观测特性一致的IMBH。
• 利用N体模拟量化此类IMBH形成路径在典型球状星团中的发生概率。
• 评估该路径预测的并合率与从GW190521推断出的观测率的一致性。

提出的方法

• 使用NBODY6-gpu代码对58次直接N体模拟进行，以模拟具有N = 10^5颗恒星且具有球状星团特性的星团的动力学演化。
• 追踪恒星黑洞的形成与并合历史，重点关注导致中等质量黑洞增长的双黑洞并合链。
• 识别出一个典型模拟，在该模拟中，一个黑洞在60亿年内经历了七次连续的双黑洞并合，最终质量达到97.8 M⊙。
• 分析了使并合链得以持续的致密核心中的动力学相互作用，如交换相遇和双星硬化机制。
• 基于整个模拟数据集，估算此类并合链在典型球状星团中形成IMBH的概率，结果为0.01 ≲ p ≲ 0.1。
• 将估算的形成概率与共动恒星形成率相结合，推导出与GW190521观测结果一致的并合率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在密集星团中，七次双黑洞并合的分级并合链是否能形成与GW190521观测一致的中等质量黑洞？
• RQ2 在星团核心区域，哪些动力学机制能够使黑洞在数十亿年的时间尺度内经历多次连续并合？
• RQ3 在典型球状星团的生命周期内，此类并合链形成IMBH的概率是多少？
• RQ4 通过该路径预测的IMBH并合率是否与从GW190521事件推断出的速率一致？
• RQ5 最终黑洞的特性（如质量与形成 timescale）与GW190521的观测参数相比如何？

主要发现

• 在一个典型模拟中，一个黑洞在密集星团中经历了长达60亿年的七次连续双黑洞并合，质量从初始值增长至最终的97.8 M⊙。
• 最终质量97.8 M⊙与GW190521中推断的约142 M⊙残余质量一致，表明尽管初始并合体位于黑洞质量间隙上端，该形成路径仍具合理性。
• 模拟表明，星团核心区域的动力学相互作用（如交换相遇和双星硬化）可支持长期的并合链。
• 基于58次模拟的完整数据集，估算出在典型球状星团中通过此类链式并合形成IMBH的概率为0.01 ≲ p ≲ 0.1。
• 结合共动恒星形成率后，该形成概率推导出的并合率与GW190521观测结果大致一致。
• 本研究表明，致密恒星系统中的分级并合是中等质量黑洞形成的一种可行且可能普遍存在的途径，对未来引力波观测具有可探测的启示意义。