[論文レビュー] The origin and evolution of LIGO's first gravitational-wave source

Krzysztof Belczyński, D. E. Holz+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 22被引用数 29

ひとこと要約

この論文は、LIGOが最初に検出した重力波信号GW150914の起源を調査し、それが低金属量環境で形成された孤立した二重ブラックホール系から生じた可能性が高いと結論づけている。研究では、一致するブラックホールスピンと、LIGOの経験的推定値と整合する合体率200 Gpc⁻³ yr⁻¹が、動的形成や特異な経路よりも孤立二重星進化を支持する。

ABSTRACT

LIGO has detected gravitational waves from the coalescence and merger of two massive stellar-origin black holes. The detection is consistent with our earlier predictions that the first LIGO detections from massive binary black hole mergers were imminent, based on isolated binary evolution. Within our classical evolutionary scenario we find that the stellar progenitors of the black holes constituting GW150914 most likely formed in low metallicity environments (Z 400 km/s) for massive black holes are unlikely. Development and survival of the common envelope is likely restricted to evolved stars. While models based on dynamical formation do not predict that the BH spins should be preferentially aligned with the binary angular momentum, our models of isolated BH-BH formation favor aligned BH spins (assuming that the progenitor star spins are aligned when the binaries form). We find that the existence of GW150914 does not require enhanced double black hole formation in dense stellar clusters or via exotic evolutionary channels. Our standard model BH-BH merger rate (200 Gpc^-3 yr^-1) is consistent with the LIGO empirical estimate (2-400 Gpc^-3 yr^-1) and it is 40 times higher than the typical rate of dynamically formed mergers. We predict that BH-BH mergers with total mass of 20-80 Msun are to be detected next.

研究の動機と目的

• GW150914、つまり二重ブラックホール合体から生じた最初のLIGO重力波検出の天体物理学的起源を特定すること。
• 観測されたGW150914の特徴（ブラックホール質量やスピンの一致など）が、密度の高いクラスタ内での動的形成よりも孤立二重星進化を支持するかを評価すること。
• 標準的星間進化モデルが、観測された合体率とスピン特性を説明できるかを評価すること。
• GW150914を説明するために、特異な進化経路や密度の高いクラスタ内形成が必須であるかを検証すること。

提案手法

• 低金属量環境（Z < 0.002）における質量の大きな星の孤立二重星進化をモデル化し、ブラックホールの形成と合体を模擬する。
• 共通エンvelope進化モデルを適用して、巨星系列以降の段階における二重星系の生存と安定性を評価する。
• 初期スピンが前身星で一致していると仮定し、予測されたブラックホールスピンの一致を観測データと比較する。
• 孤立ブラックホール二重星の期待される合体率（200 Gpc⁻³ yr⁻¹）を計算し、LIGOの経験的推定値（2–400 Gpc⁻³ yr⁻¹）と比較する。
• 密度の高い星団内での動的形成の可能性を、スピン一致の予測と観測結果を対比することで評価する。
• 星間進化および二重星相互作用モデルを用いて、発達した星における共通エンvelope発達の妥当性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GW150914の二重ブラックホール系の形成に最も整合する天体的環境は何か？
• RQ2 GW150914で観測されたブラックホールスピンの向きは、孤立二重星進化と動的形成のどちらを支持するか？
• RQ3 GW150914の観測された合体率は、標準的孤立二重星進化モデルと整合するか？
• RQ4 特異な進化経路や密度の高いクラスタ環境を仮定せずに、GW150914の特性を説明できるか？
• RQ5 合計質量が太陽質量20〜80の間のブラックホール二重星の予測合体率は何か？

主な発見

• GW150914の星の前身は、おそらく低金属量環境（Z < 0.002）で形成され、孤立二重星進化と整合的である。
• 観測されたブラックホールスピンの軌道角運動量との一致は、孤立二重星進化によって最もよく説明され、動的形成によるものではない。
• 孤立ブラックホール二重星の予測合体率200 Gpc⁻³ yr⁻¹は、LIGOの経験的推定値（2–400 Gpc⁻³ yr⁻¹）と整合的である。
• 孤立進化による合体率は、通常の動的形成ブラックホール二重星の合体率の40倍も高い。
• 共通エンvelope進化は、発達した星に限定される可能性が高く、質量の大きな二重星系の安定化に寄与している。
• 合計質量が20〜80太陽質量のブラックホール二重星の今後の検出が、このモデルに基づいて予測される。