[论文解读] Massive Stellar Triples Leading to Sequential Binary Black-Hole Mergers in the Field

Alejandro Vigna-Gómez, Silvia Toonen+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 93被引用 81

一句话总结

该论文提出，场中的大质量三合星系统可产生连续的双黑洞并合，首次并合形成的黑洞随后与第三颗黑洞并合。通过群体合成模型，表明此类系统可产生有效自旋 >0.1 的黑洞，处于对不稳定质量间隙内，为一种场起源的替代机制，替代于星团形成。该模型支持GW170729为三合星起源事件，但认为GW190521更可能源于星团，因其自旋与质量特征与模型不一致。

ABSTRACT

Stellar triples with massive stellar components are common, and can lead to sequential binary black-hole mergers. Here, we outline the evolution towards these sequential mergers, and explore these events in the context of gravitational-wave astronomy and the pair-instability mass gap. We find that binary black-hole mergers in the pair-instability mass gap can be of triple origin and therefore are not exclusively formed in dense dynamical environments. We discuss the sequential merger scenario in the context of the most massive gravitational-wave sources detected to date: GW170729 and GW190521. We propose that the progenitor of GW170729 is a low-metallicity field triple. We support the premise that GW190521 could not have been formed in the field. We conclude that triple stellar evolution is fundamental in the understanding of gravitational-wave sources, and likely, other energetic transientsas well.

研究动机与目标

• 调查孤立的大质量恒星三合星是否能产生连续的双黑洞并合，最终形成处于对不稳定质量间隙内的黑洞。
• 确定此类场起源并合是否能解释如GW170729和GW190521等最重的引力波源的观测质量与自旋。
• 利用黑洞并合的自旋与质量特征，区分场起源三合星与星团起源的并合。
• 评估三合星系统在无需致密动力学环境的条件下，对填充对不稳定质量间隙的贡献。

提出的方法

• 建模具有圆形、共面、顺向轨道的孤立分层三合星系统，假设通过临界质量比准则实现动力学稳定。
• 使用合成双星群体合成（COMPAS）生成初始质量分布与黑洞质量，整合质量损失、质量转移及化学均匀演化。
• 应用引力波驱动的并合 timescale（Peters 1964），估算内双星并合后外双星的并合 timescale。
• 计算首次并合后由于辐射质量损失与反冲速度引起的轨道变化，假设高质比内双星的反冲速度可忽略。
• 计算最终并合的有效自旋（χeff），作为内双星与第三颗黑洞自旋及质量的函数。
• 使用Riley等（2020）的双黑洞并合率估算z=0时的连续并合率，得到R < 3 Gpc⁻³ yr⁻¹。

实验结果

研究问题

• RQ1 孤立的大质量恒星三合星能否产生连续的双黑洞并合，最终形成处于对不稳定质量间隙内的黑洞？
• RQ2 此类场起源并合能否解释GW170729与GW190521的观测质量与自旋？
• RQ3 何种自旋与质量特征可区分对不稳定质量间隙中连续并合与星团起源并合？
• RQ4 首次并合所辐射的质量与反冲速度如何影响外双星的存活与演化？
• RQ5 场三合星中连续并合的预期速率是多少？与星团中形成机制相比如何？

主要发现

• 该模型预测，场起源的连续并合可产生处于对不稳定质量间隙内的黑洞，挑战了此类事件仅源于星团形成的假设。
• 具有高于质量间隙的第三颗黑洞且χeff在0.1至0.27之间（红色子区域A）的系统，是可行的场三合星候选者。
• 具有低于质量间隙的第三颗黑洞且χeff在0.38至0.58之间（蓝色子区域B）的系统，也与场三合星演化一致。
• GW170729的有效自旋（χeff ≈ 0.25）与三合星起源情景一致，尤其与子区域B吻合，支持其场三合星起源。
• GW190521的高质质量与高自旋与模型预测不一致，表明该事件更可能源于星团。
• 场三合星中连续并合的估计速率为R < 3 Gpc⁻³ yr⁻¹，与星团中分层三合星及场中三合星的速率相当。