[論文レビュー] The population of merging compact binaries inferred using gravitational waves through GWTC-3

The LIGO Scientific Collaboration, T. D. Abbott+1635 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 215被引用数 26

ひとこと要約

本論文は、LIGO-Virgo-KAGRAの最初の3回の観測ラン（O1–O3）中に検出された76件のコン pact な二重合体合体の集団レベルの分析を提示する。GWTC-3カタログを用いて、合体レート、質量およびスピン分布、赤方偏移の進化を推定し、z = 0.2における二重ブラックホールの合体レートが17.9–44 Gpc⁻³ yr⁻¹でκ = 2.9⁺¹.⁷₋₁.⁸であることを明らかにした。ニュートリノ星質量分布は広範で、1.2–2.0 M⊙であり、スピンのずれや反平行スピンの証拠も得られた。

ABSTRACT

We report on the population properties of compact binary mergers inferred from gravitational-wave observations of these systems during the first three LIGO-Virgo observing runs. The Gravitational-Wave Transient Catalog 3 contains signals consistent with three classes of binary mergers: binary black hole, binary neutron star, and neutron star-black hole mergers. We infer the binary neutron star merger rate to be between 10 and 1700 Gpc$^{-3} yr$^{-1}$ and the neutron star-black hole merger rate to be between 7.8 and 140 Gpc$^{-3} yr$^{-1}$, assuming a constant rate density in the comoving frame and taking the union of 90% credible intervals for methods used in this work. We infer the binary black hole merger rate, allowing for evolution with redshift, to be between 17.9 and 44 Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$ at a fiducial redshift (z=0.2). The rate of binary black hole mergers is observed to increase with redshift at a rate proportional to $(1+z)^\kappa$ with $\kappa=2.9^{+1.7}_{-1.8}$ for $z\lesssim1$. Using both binary neutron star and neutron star-black hole binaries, we obtain a broad, relatively flat neutron star mass distribution extending from $1.2^{+0.1}_{-0.2}$ to $2.0^{+0.3}_{-0.3}\,M_\odot$. We confidently determine that the merger rate as a function of mass sharply declines after the expected maximum neutron star mass, but cannot yet confirm or rule out the existence of a lower mass gap between neutron stars and black holes. We also find the binary black hole mass distribution has localized over- and underdensities relative to a power-law distribution, with peaks emerging at chirp masses of $8.3^{+0.3}_{-0.5}$ and $27.9^{+1.9}_{-1.8}\,M_\odot$. While we continue to find that the mass distribution of a binary's more massive component strongly decreases as a function of primary mass, we observe no evidence of a strongly suppressed merger rate above approximately $60\,M_\odot$ [abridged]

研究の動機と目的

• 重力波観測を用いて、二重ブラックホール（BBH）、二重ニュートリノ星（BNS）、ニュートリノ星–ブラックホール（NSBH）系を含む、合体するコンパクト二重星の集団レベルの性質を推定すること。
• レート密度と赤方偏移の進化に関する不確実性を考慮して、近傍宇宙におけるBNSおよびNSBHの合体レートを特定すること。
• コンパクト二重星系の質量およびスピン分布を特徴づけ、BBH質量関数における過密および低密度領域の証拠を含むこと。
• BBH合体レートの赤方偏移進化を調査し、質量ギャップやスピン整合の傾向をテストすること。
• 重力波データに対するベイズ推論を用いて、スピン–質量相関およびずれの有無を評価すること。

提案手法

• 76件の高信頼性の重力波イベント（誤報率 <1 yr⁻¹）を用いて、ベイズ階層的推論フレームワークを用いてコンパクト二重星合体の集団をモデル化する。
• 成分質量と信号整合性に基づき、イベントをBBH、BNS、NSBHに分類する混合モデルを適用し、GW190814はNSBHまたはBBHの可能性として扱う。
• パワー則および折り返しパワー則の形を含む柔軟なパラメトリックモデルを質量分布に用い、単純なパワー則に対する過密および低密度領域を検出する。
• BBH合体レートの赤方偏移進化を(1 + z)ᵏに比例するとモデル化し、非パrametricな事前分布を用いてデータからkを推定する。
• スピンの大きさと向きのパラメータ（χ₁, χ₂, χ_eff, cos(θ₁), cos(θ₂)）を集団モデルに組み込み、整合性およびずれの傾向を評価する。
• 複数の推論手法における90%信用区間の和集合を用いて、不確実性の伝播を伴う頑健なレート推定値を報告する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近傍宇宙（z ≈ 0）における二重ニュートリノ星（BNS）およびニュートリノ星–ブラックホール（NSBH）系の合体レート密度は何か？
• RQ2 二重ブラックホール（BBH）合体レートは赤方偏移とともにどのように変化するか？関係式(1 + z)ᵏにおける最良適合のパワー則指数κは何か？
• RQ3 ニュートリノ星質量分布の形状は何か？ニュートリノ星とブラックホールの間の下限ギャップの証拠はあるか？
• RQ4 BBH質量関数には局所的な過密および低密度領域があるか？それらのチルプ質量値は何か？
• RQ5 ブラックホールスピンの大きさと向きの分布は何か？スピンのずれや反平行スピンの証拠はあるか？

主な発見

• 二重ニュートリノ星（BNS）合体レートは10–1700 Gpc⁻³ yr⁻¹、NSBH合体レートは7.8–140 Gpc⁻³ yr⁻¹であり、複数の推論手法からの90%信用区間で推定された。
• z = 0.2における二重ブラックホール（BBH）合体レートは17.9–44 Gpc⁻³ yr⁻¹であり、z ≲ 1における赤方偏移進化指数はκ = 2.9⁺¹.⁷₋₁.⁸である。
• ニュートリノ星質量分布は広範かつ比較的平坦で、1.2⁺⁰.¹₋₀.²から2.0⁺⁰.³₋₀.³ M⊙の範囲をカバーし、最大ニュートリノ星質量を超えて急激に減少する。
• チルプ質量8.3⁺⁰.³₋₀.⁵ M⊙および27.9⁺¹.⁹₋₁.⁸ M⊙で、BBH質量関数に局所的な過密および低密度領域が検出された。
• 60 M⊙を超える合体レートの抑制の強力な証拠は得られず、ブラックホールにおける上側ギャップの明確な証拠はない。
• ブラックホールスピンは主に小さく（50%がχᵢ ≈ 0.25未満）、反平行スピンの証拠と、質量比が不均一な系におけるスピン大きさの増加が示された。