[论文解读] Black Hole Mergers from Globular Clusters Observable by LISA and LIGO: Results from post-Newtonian Binary-Single Scatterings

Johan Samsing, Daniel J. D’Orazio+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 28

一句话总结

本研究利用N体模拟中的后牛顿（PN）修正，研究了球状星团中通过三体相互作用形成的黑洞并合的引力波（GW）信号。结果发现，5–10%的此类并合发生在≥0.1 Hz的频率上，直接进入LIGO频段而无需经过LISA频段，从而为区分动力学形成双星与孤立场双星提供了独特的观测特征。

ABSTRACT

We study the gravitational wave (GW) frequency and chirp mass distribution of binary black hole (BBH) mergers assembled through three-body interactions in globular clusters (GCs), when GW emission at the 2.5 post-Newtonian (PN) level is included in the $N$-body equation-of-motion (EOM). From performing $\\sim 2.5\ imes10^{6}$ PN binary-single interactions based on GC data from the `MOCCA-Survey Database I' project, and by the use of analytical methods, we find that $5-10\\%$ of all the three-body assembled GC BBH mergers have a GW frequency at formation that is $\\gtrsim 10^{-1}$ Hz, implying they enter the LIGO band without having drifted through the LISA band first. If PN terms are not included in the EOM, one finds instead that all BBH mergers drifts through both LISA and LIGO. As the fraction of BBH mergers that only show up in LIGO is expected to be $\\sim 0\\%$ for standard field binary BBH mergers, future joint measurements with LISA and LIGO can be used to gain insight into the formation of BBH mergers.

研究动机与目标

• 确定N体运动方程中的后牛顿（PN）修正如何影响球状星团中形成的黑洞并合的引力波频率分布。
• 评估通过三体相互作用形成的双黑洞（BBH）并合中有多少比例直接在LIGO频段形成，而无需经过LISA频段。
• 利用多频段引力波观测区分动力学组装的BBH与孤立场双星。
• 量化在2.5PN级别引力波辐射在共振双星-单星相互作用期间促进高频并合中的作用。
• 为未来LISA与LIGO的联合观测提供预测框架，以约束BBH形成通道。

提出的方法

• 利用MOCCA-Survey数据库I中球状星团的数据，模拟了约250万次后牛顿双星-单星相互作用。
• 在N体运动方程中应用2.5阶后牛顿（PN）项，以模拟轨道演化中的相对论效应。
• 对每次模拟的BBH系统，追踪其并合时的引力波频率与啁啾质量。
• 采用解析方法验证并解释数值结果，特别关注共振三体相互作用。
• 对比有无PN修正的结果，以隔离相对论性GW辐射对并合频率分布的影响。
• 模拟BBH并合在LISA与LIGO频段中的分布，以评估可探测性及形成路径特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过球状星团中三体相互作用形成的双黑洞并合中，有多少比例直接进入LIGO频段而无需经过LISA频段？
• RQ2 在N体运动方程中引入2.5阶后牛顿项如何影响BBH并合的引力波频率分布？
• RQ3 若在部分LIGO观测到的BBH并合中缺失LISA频段信号，能否作为球状星团中动力学形成的证据？
• RQ4 在共振双星-单星相互作用期间形成的GW捕获并合，在频率分布上与标准场双星并合有何不同？
• RQ5 有多少比例的球状星团BBH并合会因初始GW频率过高而被LISA遗漏，但能被LIGO探测到？

主要发现

• 通过球状星团中三体相互作用组装的5–10%双黑洞并合，其引力波频率≥0.1 Hz，因此直接位于LIGO频段内。
• 若不包含后牛顿修正，所有此类并合都将依次经过LISA与LIGO频段，表明PN项对形成高频并合群体至关重要。
• 引入2.5PN项使得并合能够完全跳过LISA频段，这一特征在牛顿模拟中不存在。
• 该高频并合群体源于共振双星-单星相互作用期间的GW捕获并合，仅在完整相对论动力学下才能解析。
• 对于标准场双星形成，LISA漏检的并合比例预计为~0%，因此这成为动力学组装的显著观测特征。
• 未来LISA与LIGO的联合观测可约束动力形成与孤立双星形成通道对观测BBH并合率的相对贡献。