[论文解读] Ordering the chaos: stellar black hole mergers from non-hierarchical triples

Manuel Arca Sedda, Gongjie Li+1 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用 25

一句话总结

本研究通过29,000组三体模拟表明，非层次结构的三重恒星级黑洞系统可通过长期动力学过程驱动内层双星合并，尤其在逆行、近平面构型下引发轨道翻转并缩小内层轨道。由此产生的合并事件通常伴随组分交换，产生可被LISA和LIGO探测到的引力波信号，其质量与偏心率分布具有显著特征。

ABSTRACT

We investigate the evolution of triple, non-hierarchical, black hole (BH) systems making use of $2.9 imes10^4$ 3-body simulations. Varying the mutual orbital inclination, the three BH masses and the inner and outer eccentricities, we show that retrograde, nearly planar configurations lead to a significant shrinkage of the inner binary. We find an universal trend of triple systems, that they tend to evolve toward prograde configurations, Moreover, we demonstrate that the orbital flip, driven by the torque exerted on the inner BH binary (BHB) by the outer BH, leads in general to tighter inner orbits. In some cases, the resulting BHB undergoes coalescence within a Hubble time, releasing gravitational waves (GWs). Frequently, the inner BHB merger occurs after a component swap between one of its components and the outer BH. The mass spectrum of the BHBs that underwent the component exchange differs significantly from the case in which the BHB merge without any swap. A large fraction of merging BHBs with initial separation $1$ AU enter the $10^{-3}-10^{-1}$ Hz frequency band with large eccentricities, thus representing potential LISA sources. Mergers originating from initially tighter BHB ($a\sim 0.01$ AU), instead, have a large probability to have eccentricities above 0.7 in the $1$ Hz band. We find that the mergers' mass distribution in this astrophysical channel maps the original BH binary spectrum. This might have interesting consequences in light of the growing population of BH mergers detected by LIGO.

研究动机与目标

• 研究非层次结构三重黑洞系统的动力学演化及其产生恒星级黑洞合并的潜力。
• 确定由于外部天体施加的长期摄动扭矩，导致内层双星轨道翻转与收缩的条件。
• 评估在哈勃时​​间内内层双星合并的可能性及其产生的引力波信号特征。
• 分析组分交换对合并双星质量分布的影响。
• 评估此类合并事件在未来的引力波天文台（如LISA和LIGO）中的可探测性。

提出的方法

• 对具有不同初始质量、内层与外层轨道偏心率以及相互倾角的黑洞系统进行2.9 × 10⁴组三体模拟。
• 利用长期摄动理论建模三重系统的长期演化，重点关注角动量交换与轨道翻转。
• 追踪内层双星分离度、偏心率与质量比随时间的演化，以识别合并条件。
• 识别演化过程中内层双星与外层黑洞之间发生组分交换的案例。
• 计算内层双星进入LISA与LIGO探测窗口时的引力波频率范围与偏心率。
• 比较发生组分交换与未发生组分交换的合并双星最终质量函数，以评估光谱差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种初始条件下，非层次结构三重黑洞系统会导致内层双星显著收缩？
• RQ2 相互倾角（尤其是逆行构型）如何影响轨道翻转与内层双星合并的可能性？
• RQ3 在合并前，有多少比例的内层双星会与外层黑洞发生组分交换？
• RQ4 与孤立双星演化通道相比，该通道产生的合并双星在偏心率与质量分布上有哪些差异？
• RQ5 这些合并事件中有多少比例可被LISA与LIGO探测到？它们在何种引力波频率下进入敏感频段？

主要发现

• 逆行且近乎平面的三重构型由于外层黑洞施加的强长期扭矩，导致内层双星显著收缩。
• 三重系统普遍演化为前向构型，外层天体施加的扭矩引发的轨道翻转显著提高了内层双星合并的概率。
• 大量初始分离度为1 AU的内层双星在进入10⁻³–10⁻¹ Hz频段时具有高偏心率，使其成为潜在的LISA源。
• 初始分离度约为0.01 AU的内层双星在1 Hz频段内有超过70%的概率保持偏心率高于0.7，从而增强LIGO的可探测性。
• 该通道中合并双星的质量分布与原始黑洞双星质量谱高度一致，表明光谱畸变极小。
• 演化过程中的组分交换导致合并双星的质量谱与未发生交换的双星存在明显差异，表明具有独特的天体物理印记。