[論文レビュー] New insights on binary black hole formation channels after GWTC-2: young star clusters versus isolated binaries

Y. Bouffanais, Michela Mapelli+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 146被引用数 72

ひとこと要約

本研究では、Bayesian階層モデルとN体／集団合成シミュレーションを用い、GWTC-2データを用いて、若い星団における孤立二重星の進化と動的形成の両方が、二重ブラックホール（BBH）の形成経路としてどのように寄与しているかを比較する。結果として、両者の混合が観測を最もよく説明するが、スピンの大きさが中程度の場合は動的形成がやや好まれ（中央値f = 0.26）、高スピンの場合は強く好まれ（f ≤ 0.1）る。金属量の分散は、推定される混合割合に顕著な影響を及ぼすことが判明した。

ABSTRACT

With the recent release of the second gravitational-wave transient catalogue (GWTC-2), which introduced dozens of new detections, we are at a turning point of gravitational wave astronomy, as we are now able to directly infer constraints on the astrophysical population of compact objects. Here, we tackle the burning issue of understanding the origin of binary black hole (BBH) mergers. To this effect, we make use of state-of-the-art population synthesis and N-body simulations, to represent two distinct formation channels: BBHs formed in the field (isolated channel) and in young star clusters (dynamical channel). We then use a Bayesian hierarchical approach to infer the distribution of the mixing fraction $f$, with $f=0$ ($f=1$) in the pure dynamical (isolated) channel. %that controls the proportion of isolated and dynamical BBHs. We explore the effects of additional hyper-parameters of the model, such as the spread in metallicity $\sigma_{ ext{Z}}$ and the parameter $\sigma_{ ext{sp}}$, describing the distribution of spin magnitudes. We find that the dynamical model is slightly favoured with a median value of $f=0.26$, when $\sigma_{ ext{sp}}=0.1$ and $\sigma_{ ext{Z}}=0.4$. Models with higher spin magnitudes tend to strongly favour dynamically formed BBHs ($f\le{}0.1$ if $\sigma_{ ext{sp}}=0.3$). Furthermore, we show that hyper-parameters controlling the rates of the model, such as $\sigma_{ m Z}$, have a large impact on the inference of the mixing fraction, which rises from $0.18$ to $0.43$ when we increase $\sigma_{ ext{Z}}$ from 0.2 to 0.6, for a fixed value of $\sigma_{ ext{sp}}=0.1$. Finally, our current set of observations is better described by a combination of both formation channels, as a pure dynamical scenario is excluded at the $99\%$ credible interval, except when the spin magnitude is high.

研究の動機と目的

• GWTC-2で観測された二重ブラックホール合体の相対的寄与割合として、孤立二重星進化と若い星団における動的形成が果たす役割を特定すること。
• スピンの大きさ分布の不確実性と金属量の分散が、形成経路の混合割合に与える影響を評価すること。
• GWTC-2で観測されたBBH集団が、純粋な孤立二重星形成シナリオで説明可能かどうかを検証すること。
• 天体物理学的モデルのハイパーパrameter（特にfの推定値に与える影響）を定量化すること。
• 現在のデータが単一の形成経路を支持するのか、それとも孤立および動的経路の組み合わせを必要としているのかを評価すること。

提案手法

• 孤立二重星と若い星団におけるBBH形成をモデル化するため、最先端の集団合成（mobse）とN体シミュレーションを用いる。
• 混合割合fを推定するためのBayesian階層フレームワークを採用し、f = 0は純粋な動的形成、f = 1は純粋な孤立進化を意味する。
• モデル感度を調査するため、スピン大きさ分布の標準偏差σspと金属量分散σZというハイパーパrameterを組み込む。
• O3aの感度に基づく検出確率重み付け（pdet）を適用し、観測されたGWTC-2サンプルにおける選択効果を補正する。
• 尤度に基づく推論を用いて、シミュレートされたBBH集団（質量、スピン、チルプ質量）と観測されたGWTC-2イベントを比較する。
• モデル比較にはBayesian証拠を用い、仮定の変化に応じた動的形成と孤立進化の支持度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GWTC-2データに基づき、動的形成と孤立二重星形成の混合割合fはどの程度推定されるか？
• RQ2 スピン大きさ分布（σsp）と金属量分散（σZ）の変動が、形成経路の好まれ具合にどのように影響するか？
• RQ3 純粋な孤立二重星形成シナリオは、観測されたGWTC-2 BBH集団と整合的か？
• RQ4 σZ や σsp といったモデルのハイパーパrameterが、fの推定値にどの程度の影響を及えるか？
• RQ5 負の値をとる有効スピンχeffの観測分布は、孤立形成のみで説明可能か？

主な発見

• 動的形成経路がわずかに好まれ、σsp = 0.1 および σZ = 0.4 の条件下で中央値混合割合f = 0.26 が得られた。
• 高スピンの大きさ（σsp = 0.3）を持つモデルでは、GWTC-2イベントに負のχeff値が存在するという根拠により、動的形成が強く好まれ、f ≤ 0.1 となる。
• 金属量分散σZは強く影響を与える：σsp = 0.1 の条件下でσZを0.2から0.6に増加させると、推定されるfは0.18から0.43に上昇する。
• 純粋な孤立二重星シナリオは、99%信用区間で除外されるが、スピンの大きさが大きい場合（σsp = 0.3）を除く。
• GWTC-2で観測されたBBH集団は、両形成経路の組み合わせによって最もよく説明される。特に、高チルプ質量と負の有効スピンを説明するには動的過程が不可欠である。
• 質量が大きなBBH（主星質量 > 60 M⊙）がデータに顕著に寄与しており、その存在は若い星団における動的形成によって最もよく説明される。