[논문 리뷰] Signatures of hierarchical mergers in black hole spin and mass distribution

Hiromichi Tagawa, Zoltán Haiman외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 142인용 수 64

한 줄 요약

이 논문은 계층적 블랙홀 병합—즉, 이전 병합에서 유래한 블랙홀—이 효과적 스핀(χeff), 프리세이션 스핀(χp), 그리고 찰프 질량(mchirp) 분포에 특징적인 서명을 남긴다고 제안한다. LIGO/Virgo O1–O3a 데이터의 토이 모델과 베이지안 분석을 사용하여, 계층적 병합은 최대 질량에 도달할 때까지 mchirp에 따라 일반 스핀 크기 ¯χtyp ≡ (χ²eff + χ²p)^1/2 가 단조롭게 증가시키며, 이후 약 0.6에서 평탄한 플랫폼을 형성함을 보여준다. 관측된 데이터는 이 경향을 약 2σ 신뢰도로 지지하며, 향후 100건 이상의 탐지가 이루어지면 플랫폼이 강력하게 확인되고, 최대 질량 및 제1세대 블랙홀의 스핀을 제약할 수 있을 것으로 예상된다.

ABSTRACT

Recent gravitational wave (GW) observations by LIGO/Virgo show evidence for hierarchical mergers, where the merging BHs are the remnants of previous BH merger events. These events may carry important clues about the astrophysical host environments of the GW sources. In this paper, we present the distributions of the effective spin parameter (χeff), the precession spin parameter (χp), and the chirp mass (mchirp) expected in hierarchical mergers. Under a wide range of assumptions, hierarchical mergers produce (i) a monotonic increase of the average of the typical total spin for merging binaries, which we characterize with χ¯typ≡(χ2eff+χ2p)1/2⁠, up to roughly the maximum mchirp among first-generation (1g) BHs, and (ii) a plateau at χ¯typ∼0.6 at higher mchirp. We suggest that the maximum mass and typical spin magnitudes for 1g BHs can be estimated from χ¯typ as a function of mchirp. The GW data observed in LIGO/Virgo O1–O3a prefers an increase in χ¯typ at low mchirp, which is consistent with the growth of the BH spin magnitude by hierarchical mergers at ∼2σ confidence. A Bayesian analysis using the χeff, χp, and mchirp distributions suggests that 1g BHs have the maximum mass of ∼15–30M⊙ if the majority of mergers are of high-generation BHs (not among 1g–1g BHs), which is consistent with mergers in active galactic nucleus discs and/or nuclear star clusters, while if mergers mainly originate from globular clusters, 1g BHs are favoured to have non-zero spin magnitudes of ∼0.3. We also forecast that signatures for hierarchical mergers in the χ¯typ distribution can be confidently recovered once the number of GW events increases to ≳ O(100).

연구 동기 및 목표

• 중력파(GW) 데이터에서 계층적 블랙홀 병합의 고유한 서명, 특히 스핀 및 질량 분포에서의 특징을 식별하기 위해.
• 계층적 병합 시나리오에서 효과적 스핀(χeff), 프리세이션 스핀(χp), 찰프 질량(mchirp)이 어떻게 변화하는지 규명하기 위해.
• 관측된 GW 분포를 이용해 제1세대(1g) 블랙홀의 최대 질량 및 일반 스핀을 제약하기 위해.
• 증가하는 중력파 탐지 수에 따라 계층적 병합 서명의 탐지 가능성 평가하기 위해.

제안 방법

• 제1세대 블랙홀의 스핀 및 질량 분포에 대한 다양한 가정을 포함한 토이 인구 합성 프레임워크를 사용해 계층적 병합을 모델링하기 위해.
• 다양한 병합 시나리오 하에서 mchirp에 따른 ¯χtyp = (χ²eff + χ²p)^1/2 의 기대 분포를 유도하기 위해.
• LIGO/Virgo O1–O3a 데이터에서 χeff, χp, mchirp 분포를 사용해 계층적 병합 모델에 대한 지지를 평가하기 위해 베이지안 모델 비교 수행하기 위해.
• N = 44, 100, 1000건의 가짜 중력파 데이터를 사용해 ¯χtyp 프로파일 복원의 강건성과 플랫폼 탐지 가능성 테스트하기 위해.
• 아카이케 정보 기준과 베이즈 요인을 사용해 ¯χtyp vs. mchirp 프로파일에서 플랫폼 및 굴곡점의 통계적 유의성 평가하기 위해.
• ¯χtyp 가 상승에서 플랫폼으로 전이되는 전환 점을 나타내는 임계 찰프 질량(mcrit)을 추정하고, 이를 최대 제1세대 블랙홀 질량(mmax)과 연관시키기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LIGO/Virgo O1–O3a 데이터에서 관측된 χeff, χp, mchirp 분포는 mchirp 증가에 따라 ¯χtyp 가 단조롭게 증가하는가? 이는 계층적 병합과 일치하는가?
• RQ2 현재 및 향후 중력파 탐지 샘플을 통해 ~0.6에서의 ¯χtyp 플랫폼 존재가 통계적으로 확인될 수 있는가?
• RQ3 관측된 ¯χtyp 프로파일을 이용해 제1세대 블랙홀의 최대 질량 및 일반 스핀에 대해 어떤 제약를 둘 수 있는가?
• RQ4 활동은하핵 디스크, 핵성 항성 집단, 또는 구형성단과 같은 다양한 천체물리적 환경은 계층적 병합의 예상 스핀 및 질량 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 몇 건의 탐지(N)가 이루어지면 ¯χtyp 프로파일의 플랫폼에 대한 통계적 유의성이 강력하게 탐지 가능해지는가?

주요 결과

• 관측된 LIGO/Virgo O1–O3a 데이터는 낮은 mchirp(≲15–50 M⊙)에서 ¯χtyp 가 증가하는 데 대해 약 2σ의 선호도를 보이며, 이는 계층적 병합에 의한 스핀 증가와 일치한다.
• 고질량 계층적 병합에서 ¯χtyp 가 약 0.6에서 플랫폼을 형성하는 것이 예측되며, 이 특징은 100건 이상의 중력파 탐지로 신뢰성 있게 복원 가능하다.
• 계층적 병합이 빈번하다면 제1세대 블랙홀의 최대 질량는 mmax ≈ 15–30 M⊙ 로 제약되며, 이는 활동은하핵 디스크 또는 핵성 항성 집단 내에서 형성된 것과 일치한다.
• 만약 병합이 주로 구형성단에서 기인한다면(mmax ≈ 45 M⊙), 제1세대 블랙홀는 약 0.3 정도의 비제로 스핀 크기를 가질 것으로 유리하다.
• N = 100일 경우 임계 찰프 질량 mcrit 는 25+6−3 M⊙ 로 추정되었으며, N = 1000일 경우 24.9+0.9−0.8 M⊙ 로 추정되었으며, 이는 mmax ≈ 1.2 × mcrit 를 의미한다.
• 베이즈 요인 분석 결과, 플랫폼이 있는 끊어진 선 모델이 단일 선 모델보다 강력히 선호되며, 로그 베이즈 요인은 N=44일 때 1.5에서 N=1000일 때 24로 증가하여, 대규모 N에서 플랫폼이 높은 통계적 신뢰도로 확인됨을 시사한다.