[论文解读] Black hole mergers of AGN origin in LIGO/Virgo's O1-O3a observing periods

V. Gayathri, Yi Yang+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 64被引用 55

一句话总结

本研究采用贝叶斯模型比较，评估LIGO/Virgo在O1-O3a运行中探测到的黑洞并合事件更可能起源于活动星系核（AGN）盘，而非一般天体物理种群分布。研究发现，25%的事件在统计上强烈偏好AGN起源（贝叶斯因子 >10），其并合率为2.8 ± 1.8 Gpc⁻³yr⁻¹，并表明AGN可解释观测到的质量分布，包括处于对不稳定质量间隙（M ≳50 M⊙）内的并合事件。

ABSTRACT

The origin of the black hole mergers detected by LIGO and Virgo remains an open question. While the unusual mass and spin of a few events constrain their possible astrophysical formation mechanisms, it is difficult to classify the bulk of the observed mergers. Here we consider the distribution of masses and spins in LIGO/Virgo's first and second observing catalogs, and find that for a significant fraction (25%) of these detected events, an AGN-disk origin model is preferred over a parametric mass-spin model fit to the full GWTC-2 merger sample (Bayes factor $\mathcal{B}>10$). We use this to estimate the black hole merger rate in AGNs to be about $2.8\pm 1.8$\, Gpc$^{-3}$yr$^{-1}$, comparable to theoretical expectations. We find that AGNs can explain the rate and mass distribution of the observed events with primary black hole mass in the pair-instability mass gap ($M\gtrsim50$\, M$_\odot$).

研究动机与目标

• 确定LIGO/Virgo在O1-O3a运行中观测到的双黑洞并合事件种群更可能起源于活动星系核（AGN）盘，而非一般天体物理种群分布。
• 量化AGN盘环境对观测到的并合率及质量-自旋分布的贡献。
• 检验AGN起源模型是否能解释观测到的事件，特别是质量处于对不稳定质量间隙（M ≳50 M⊙）内的事件。
• 通过贝叶斯模型比较，将AGN起源模型与基于完整GWTC-2样本推导出的参数化质量-自旋分布模型进行对比。

提出的方法

• 对单个引力波事件应用贝叶斯模型比较，计算AGN盘形成模型（模型A）与一般种群质量-自旋模型（模型B）之间的贝叶斯因子。
• 利用引力波数据中双星参数（啁啾质量、质量比、有效自旋、进动自旋）的后验分布，计算模型证据。
• 使用轨道演化与对齐模型模拟AGN盘中黑洞与中子星的动力学，整合质量分离与从初始轨道向盘面交叉轨迹的迁移过程。
• 假设为几何薄、光学厚、辐射效率高的吸积盘，黏滞系数α = 0.1，效率因子ε = 0.1，并假设中心为10⁶ M⊙的超大质量黑洞，吸积率为0.1 Eddington。
• 基于Yang等人（2020）和Tagawa等人（2020b,a）的结果，计算在AGN盘中形成的并合事件的质量与自旋分布，采用黑洞与中子星的初始质量函数。
• 计算贝叶斯因子B = P(数据|AGN模型) / P(数据|种群模型)以评估模型相对支持度，其中B > 10表示对AGN起源有强烈偏好。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LIGO/Virgo的O1-O3a运行中，有多少比例的双黑洞并合事件在统计上强烈偏好起源于AGN吸积盘，而非一般种群模型？
• RQ2 AGN盘环境能否重现观测到的黑洞并合事件的质量与自旋分布，包括处于对不稳定质量间隙内的事件？
• RQ3 与观测到的LIGO/Virgo事件一致的AGN中黑洞并合率是多少？
• RQ4 AGN起源模型与完整GWTC-2样本的经验质量-自旋分布相比，其似然性如何？
• RQ5 AGN盘动力学能否解释如GW190521等事件的观测特性，该事件具有高质质量主黑洞？

主要发现

• 在LIGO/Virgo的O1-O3a运行中，25%的探测到的双黑洞并合事件在统计上强烈偏好AGN盘起源（贝叶斯因子 >10），而非一般种群模型。
• 推断的AGN中黑洞并合率为2.8 ± 1.8 Gpc⁻³yr⁻¹，与理论预期一致。
• AGN盘模型可解释观测到的质量分布，包括主星质量处于对不稳定质量间隙（M ≳50 M⊙）的并合事件。
• 如GW190521和GW190519等事件在AGN模型下表现出较高的贝叶斯因子（>10），表明对AGN起源情景有强烈支持。
• AGN模型在解释显著子集事件的啁啾质量、有效自旋与进动自旋联合分布方面，优于一般种群模型。
• 本研究证明，AGN盘环境是可观测到的大量黑洞并合事件中一个可行且统计上更受青睐的形成渠道。