[论文解读] Breaching the limit: formation of GW190521-like and IMBH mergers in young massive clusters

Manuel Arca Sedda, Francesco Paolo Rizzuto+4 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 11被引用 6

一句话总结

本研究利用80组包含相对论修正的高分辨率N体模拟，对年轻大质量星团（YMCs）中的中等质量黑洞（IMBH）并合及GW190521类系统形成过程进行建模。结果表明，密集星团中的分层并合可产生总质量为300–350 M⊙的IMBH-BH双星系统，该系统可被LISA和DECIGO探测到；同时发现，第三次世代并合最能复现GW190521的自旋参数。

ABSTRACT

The LIGO-Virgo-Kagra collaboration (LVC) discovered recently GW190521, a gravitational wave (GW) source associated with the merger between two black holes (BHs) with mass $66$ M$_\odot$ and $>85$ M$_\odot$. GW190521 represents the first BH binary (BBH) merger with a primary mass falling in the "upper mass-gap" and the first leaving behind a $\sim 150$ M$_\odot$ remnant. So far, the LVC reported the discovery of four further mergers having a total mass $>100$ M$_\odot$, i.e. in the intermediate-mass black holes (IMBH) mass range. Here, we discuss results from a series of 80 $N$-body simulations of young massive clusters (YMCs) that implement relativistic corrections to follow compact object mergers. We discover the development of a GW190521-like system as the result of a 3rd-generation merger, and four IMBH-BH mergers with total mass $~(300-350)$ M$_\odot$. We show that these IMBH-BH mergers are low-frequency GW sources detectable with LISA and DECIGO out to redshift $z=0.01-0.1$ and $z>100$, and we discuss how their detection could help unravelling IMBH natal spins. For the GW190521 test case, we show that the 3rd-generation merger remnant has a spin and effective spin parameter that matches the $90\%$ credible interval measured for GW190521 better than a simpler double merger and comparably to a single merger. Due to GW recoil kicks, we show that retaining the products of these mergers require birth-sites with escape velocities $\gtrsim 50-100$ km s$^{-1}$, values typically attained in galactic nuclei and massive clusters with steep density profiles.

研究动机与目标

• 研究密集星场中GW190521类系统及中等质量黑洞（IMBH）并合的形成路径。
• 确定年轻大质量星团（YMCs）中的分层并合是否可产生处于上质量间隙及IMBH质量范围内的黑洞。
• 评估此类并合事件被未来引力波探测器（如LISA和DECIGO）探测的可能性。
• 评估引力波反冲踢速度在星团环境中保留并合残骸的作用。
• 将模拟并合残骸的自旋参数与GW190521反推出的参数进行比较，以检验形成模型。

提出的方法

• 对包含110,000颗恒星的YMCs进行80次直接N体模拟，引入相对论修正以精确模拟致密天体并合过程。
• 通过后处理方法结合数值拟合公式（Jiménez-Forteza et al. 2017）从模拟并合事件中计算残骸质量与自旋。
• 基于Campanelli et al. (2007) 和 Lousto et al. (2012) 的模型实现引力波反冲踢速度模型，其速度方程包含对称质量比、自旋矢量及轨道平面分量。
• 探索恒星与IMBH自旋分布的多种情形：自旋峰值位于0.2、0.5、0.7的高斯分布，或在[0,1]区间内均匀分布；IMBH自旋设为S_IBH = 0.01或0.99。
• 对每个并合事件生成10,000次实现，以评估自旋与质量结果的统计稳健性。
• 计算关键可观测量：啁啾质量与有效自旋参数，这些参数对高频引力波探测器的约束至关重要。

实验结果

研究问题

• RQ1 在年轻大质量星团中，分层并合能否产生总质量在150–350 M⊙范围内的黑洞双星系统，且该质量范围与IMBH一致？
• RQ2 在星团环境中，第三次世代并合是否比更简单的形成路径更准确地复现GW190521的自旋与有效自旋参数？
• RQ3 IMBH-BH并合事件在LISA和DECIGO中的可探测性如何？其可观测红移范围是什么？
• RQ4 在考虑引力波反冲踢速度的前提下，星团中保留并合残骸所需的逃逸速度阈值是多少？
• RQ5 对黑洞原初自旋分布的不同假设如何影响并合残骸的推断性质？

主要发现

• 在YMC中发生的第三次世代并合产生了一个最终双星系统，其两颗组分质量分别为68 M⊙和70 M⊙，与GW190521的源参数一致。
• 第三次世代并合残骸的自旋与有效自旋参数位于GW190521的90%可信区间内，其表现优于简单双并合模型，且与单次并合模型在一致性上相当。
• 共识别出四次总质量为300–350 M⊙的IMBH-BH并合事件，其引力波信号在低频段可被探测到。
• 这些IMBH-BH并合事件可被LISA探测到z ≈ 0.01–0.1的红移范围，而被DECIGO探测到z > 100的红移范围。
• 典型恒星级黑洞并合事件中，引力波反冲踢速度超过50–100 km s⁻¹，因此需要高逃逸速度环境（如星系核或致密星团）才能保留残骸。
• 反冲踢速度分布显示，质量比q ≈ 0.6–0.9（典型恒星级黑洞双星）的并合事件会产生超过100 km s⁻¹的踢速度，而高度不对称并合（q < 0.1）的踢速度则较低。