[论文解读] Are the observed black hole mergers spins consistent with field binary progenitors?

Kenta Hotekezaka, Tsvi Piran|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 7被引用 6

一句话总结

本文研究了在双黑洞并合引力波事件中观测到的低有效自旋值是否与涉及沃尔夫-拉叶星的场双星演化情景一致。研究发现，尽管标准场双星模型预测存在显著比例的高自旋并合事件，但共包层演化和恒星风中的不确定性可导致低自旋结果，因此当前观测尚不足以排除场双星形成机制，尽管与预期存在张力。

ABSTRACT

One of the puzzles in the recent observations of gravitational waves from binary black hole mergers is the observed low (projected) spins of the progenitor black holes. In two of the four events, GW150914, and the recent GW170104, the observed spins are most likely negative (but consistent with zero). In the third case LVT151012 it is practically zero and only in the forth case, GW151226, the spin is positive but low. These observations are puzzling within the field binary scenario in which positive higher spins are expected. Considering the most favorable Wolfe Rayet (WR) progenitors we estimate the expected spin distribution for different evolution scenarios and compare it to the observations. With typical parameters one expects a significant fraction ($\ge 25\%$) of the mergers to have high effective spin values. However due to uncertainties in the outcome of the common envelope phase (typical separation and whether the stars are rotating or not) and in the late stages of massive star evolution (the strength of the winds) one cannot rule our scenarios in which the expected spins are low. While observations of high effective spin events will support this scenario, further observations of negative spin events would rule it out.

研究动机与目标

• 评估LIGO/Virgo双黑洞并合事件中观测到的低有效自旋是否与标准场双星演化模型不一致。
• 评估潮汐锁定、共包层演化和恒星风质量损失在塑造最终黑洞自旋分布中的作用。
• 确定在合理的天体物理不确定性下，观测到的低自旋事件是否仍可源自场双星前身星。
• 确定在何种条件下，尽管存在自旋张力，场双星模型仍具可行性。

提出的方法

• 利用并合 timescale 公式估算双黑洞在哈勃时内在合并所需的初始半长轴。
• 在假设潮汐锁定导致同步化的情况下，计算前身星在黑洞形成时刻的自旋参数。
• 将有效自旋参数 $\chi_{\rm eff}$ 建模为前身星质量、轨道分离度以及共包层阶段自旋演化函数。
• 使用与观测到的沃尔夫-拉叶星一致的风速率，评估恒星风质量损失对角动量移除的影响。
• 将不同形成情景（如恒定、SFR、LGRB驱动速率）下的预测 $\chi_{\rm eff}$ 分布与GW150914、GW151226、LVT151012 和 GW170104 的观测值进行比较。
• 使用蒙特卡洛模拟，在共包层结果和风强度不同假设下生成自旋分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的双黑洞并合事件中低有效自旋是否与标准场双星演化模型不一致？
• RQ2 共包层演化和恒星风质量损失的不确定性是否能解释场双星情景中观测到的低自旋？
• RQ3 在最有利的场双星模型中，若前身星均同步化，应有多少比例的并合事件表现出高有效自旋（$>0.4$）？
• RQ4 不同的形成率假设（如SFR、LGRB、恒定）如何影响预测的 $\chi_{\rm eff}$ 分布？
• RQ5 如果观测到合并黑洞的最终自旋较低，场双星模型是否仍具可行性？

主要发现

• 标准场双星模型预测，若两个前身星均同步化，则至少25%的并合事件应具有高有效自旋（$>0.4$）。
• 即使采用基准参数，观测到的自旋分布仍与场双星预期存在张力，但统计不确定性使得无法明确排除该模型。
• 强风或中等风（例如，$\sim10^{-4.5} M_\odot/\text{yr}$）可降低最终自旋，使模型与观测一致，尤其在共包层阶段后前身星无旋转的情况下。
• 更长的最小时延（即更大的初始分离度）有所帮助，但仅靠此无法产生低自旋结果；风的影响对一致性至关重要。
• 观测到的 $\chi_{\rm eff}$ 值与某些场双星模型一致，特别是当风质量损失和共包层结果存在不确定性时。
• 负的 $\chi_{\rm eff}$ 值难以与场双星演化相容，除非存在强新生冲量；这表明此类事件可能排除该情景。