[논문 리뷰] Merger rates of double neutron stars and stellar origin black holes: The Impact of Initial Conditions on Binary Evolution Predictions

S. E. de Mink, Krzysztof Belczyński|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 11.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 이중 중성자별(NS-NS) 및 블랙홀 이진성(BH-BH, BH-NS)의 병합 비율 예측에 대해 초기 질량 함수(IMF), 이중성 비율, 궤도 파arameter 등 갱신된 초기 조건이 미치는 영향을 조사한다. 관측된 이중성 분포에 상당한 변화가 있음에도 불구하고 병합 비율은 요비로 2배 이내에서 유사하게 유지되며, 유일하게 상당한 변동을 일으키는 초기 조건은 IMF뿐이며, 이 경우 최대 6배의 변화가 발생한다. 이는 밀집 천체 병합에 대한 인구 합성 예측이 현재의 이중성 파aram터에 대한 불확실성에 대해 상당히 민감하지 않음을 시사한다.

ABSTRACT

The initial mass function (IMF), binary fraction and distributions of binary parameters (mass ratios, separations and eccentricities) are indispensable input for simulations of stellar populations. It is often claimed that these are poorly constrained significantly affecting evolutionary predictions. Recently, dedicated observing campaigns provided new constraints on the initial conditions for massive stars. Findings include a larger close binary fraction and a stronger preference for very tight systems. We investigate the impact on the predicted merger rates of neutron stars and black holes. Despite the changes with previous assumptions, we only find an increase of less than a factor 2 (insignificant compared with evolutionary uncertainties of typically a factor 10-100). We further show that the uncertainties in the new initial binary properties do not significantly affect (within a factor of 2) our predictions of double compact object merger rates. An exception is the uncertainty in IMF (variations by a factor of 6 up and down). No significant changes in the distributions of final component masses, mass ratios, chirp masses and delay times are found. We conclude that the predictions are, for practical purposes, robust against uncertainties in the initial conditions concerning binary parameters with exception of the IMF. This eliminates an important layer of the many uncertain assumptions affecting the predictions of merger detection rates with the gravitational wave detectors aLIGO/aVirgo.

연구 동기 및 목표

• 최근 관측 캠프에서 유도된 새로운 제약 조건—이중성 비율, 질량 비율, 간격, 이심률 등—이 이중 밀집 천체의 예측 병합 비율에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 대질량 이중성 시스템에 대한 최근 관측 제약이 NS-NS, BH-NS, BH-BH 병합 비율에 대한 인구 합성 예측을 상당히 변화시키는지 여부를 규명하기 위해.
• 특히 최근 이중성 시스템에 대한 관측 데이터를 고려할 때, 어떤 초기 조건의 불확실성이 병합 비율 예측에 가장 강하게 영향을 미치는지 규명하기 위해.
• 이중성 파aram터의 불확실성에 대해 병합 비율 예측의 견고성(robustness)을 평가하고, 중력파 탐지 비율 모델링에 대한 함의를 제시하기 위해.
• 모델 불확실성을 줄이기 위해, 최종 병합 비율 추정치에 가장 크게 영향을 미치는 입력 파aram터를 특정하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 최근 관측 캠프에서 유도된 갱신된 초기 조건을 기반으로 대질량 이중성 시스템의 진화를 모델링하기 위해 인구 합성 시뮬레이션을 사용한다.
• 더 높은 밀접한 이중성 비율과 더 강한 타이트 시스템 선호도 등의 새로운 관측 제약 조건을 이전 가정과 비교한다.
• 시뮬레이션은 주계열, 질량 이 trasfer, 공통 막대기 진화, 밀집 천체 형성 등의 주요 단계를 추적한다.
• 병합 비율은 병합 수를 항성 형성 역사와 初기 질량 함수(IMF)에 정규화하여 계산되며, 다양한 IMF 기울기에 대한 민감도 테스트를 수행한다.
• 다양한 초기 조건 세트 간의 최종 특성 분포—치르프 질량, 구성 요소 질량, 질량 비율, 지연 시간—을 비교한다.
• 통계 분석을 통해 각 초기 조건 파aram터의 불확실성이 예측 병합 비율에 미치는 영향을 정량화하며, 각 불확실성 원천의 상대 기여도에 중점을 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최근 대질량 이중성 시스템에 대한 관측 제약 조건이 이중 중성자별과 별 기원 블랙홀의 병합 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 이중성 파라미터의 불확실성(질량 비율, 간격, 이심률, 이중성 비율)이 밀집 천체 이중성의 병합 비율 예측에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ3 IMF, 이중성 비율, 궤도 분포 중 어떤 초기 조건 파aram터가 병합 비율 예측의 불확실성에 가장 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 최근의 페리아스터론 간격 분포가 더 타이트한 궤도를 선호하는 경향이 강해졌음에도 불구하고, 이전 모델과 비교해 유의미하게 다른 병합 비율을 초래하는가?
• RQ5 치르프 질량, 구성 요소 질량, 지연 시간의 최종 분포는 초기 이중성 파aram터의 변화에 대해 견고한가, 아니면 상당한 변화를 보이는가?

주요 결과

• 특히 더 높은 밀접한 이중성 비율과 더 강한 타이트 시스템 선호도를 포함한 갱신된 초기 조건은 NS-NS, BH-NS, BH-BH 이중성의 예측 병합 비율을 2배 이내로만 증가시킨다.
• 최종 구성 요소 질량, 질량 비율, 치르프 질량, 지연 시간의 분포는 초기 이중성 파aram터의 변화에 민감하지 않으며, 다양한 입력 가정 간에 유의미한 이동이 없다.
• 이중성의 첫 번째 질량 이 trasfer 시점의 페리아스터론 간격 분포는 초기 궤도 분포의 차이에도 불구하고, 상쇄 효과로 인해 이전 모델과 거의 동일하다.
• 유일하게 병합 비율에 상당한 변화를 일으키는 초기 조건은 初기 질량 함수(IMF)이며, BH-BH 병합의 경우 예측 비율이 최대 6배까지 변동하고, NS-NS 시스템의 경우 최대 3배까지 변동한다.
• 새로운 이중성 파라미터 분포가 병합 비율에 미치는 영향이 작다는 것은 이전 모델이 이제는 관측적으로 불리한 고이심도를 가진 이중성에 의존했고, 이는 새로운 모델의 더 타이트한 초기 분포를 상쇄시켰기 때문이라고 설명된다.
• 이 연구는 이중성 파라미터의 불확실성이 병합 비율 예측에 상당한 영향을 미치지 않으며, 중력파 탐지 비율 모델링을 위한 인구 합성 모델의 주요 불확실성 원천을 줄인다고 결론 내린다.