[论文解读] Comparison of LIGO/Virgo upper limits with predicted compact binary merger rates

Krzysztof Belczyński, Michał Dominik+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2012

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 9被引用 6

一句话总结

本文将双致密星体并合率的理论预测（特别是黑洞-黑洞和中子星-中子星系统）与当前LIGO/Virgo的上限进行比较。利用群体合成模型，发现对于总质量为50–70 M⊙的乐观黑洞-黑洞并合率预测值约为现有上限的1/3，表明在先进灵敏度下即将实现首次探测。对于中子星-中子星系统，预测率比上限低约3个数量级，表明即使在设计灵敏度下，探测仍不确定。

ABSTRACT

We compare the current LIGO/Virgo upper limits on double compact object volumetric merger rates with our theoretical predictions. Our optimistic models are a factor of 3 below the existing upper limits for massive BH-BH systems with total mass 50-70 Msun, suggesting that a small increase in observational sensitivity may bring the first detections. The LIGO/Virgo gravitational wave observatories are currently being upgraded to advanced design sensitivity. If a sizeable population of BH-BH binaries is detected, the maximum total binary mass of this population will discriminate between two general families of common envelope models. If no binaries are detected, the new upper limits will provide astrophysically useful information about the environment and physical processes (e.g., metallicity of host galaxies or BH natal kicks) crucial to the formation of binaries containing black holes. For NS-NS systems, our predicted rates are 3 orders of magnitude below the current upper limits; even if advanced instruments reach their design sensitivities (factors of 10 times in distance, and 1,000 times in volumetric rate) the detection of NS-NS systems is not assured. However, we note that although our predicted NS-NS merger rates are consistent with estimates derived from Galactic NS-NS binaries and short GRBs, they are on the low side of these empirical estimates.

研究动机与目标

• 评估当前LIGO/Virgo对双致密星体并合率的上限与群体合成模型理论预测之间的一致性。
• 基于预测的并合率，评估先进LIGO/Virgo仪器探测黑洞-黑洞和中子星-中子星双星的可探测性。
• 确定从未来上限或探测结果中可获得的天体物理洞见，特别是关于共包层演化和黑洞原生反冲等形成机制。
• 量化金属丰度、超新星反冲和共包层效率对预测并合率的影响。

提出的方法

• 使用StarTrack群体合成代码模拟12个物理上合理的双星系统演化，变化关键参数如共包层效率和原生反冲。
• 利用不同金属丰度（Z = 0.02 和 Z = 0.002）的演化模型数据库，计算银河系中的并合率（单位：Myr⁻¹），涵盖中子星-中子星、黑洞-中子星和黑洞-黑洞系统。
• 使用公式 R_vol = 10⁻⁶ × ρ_gal × [f_Z × R_MW^Z⊙ + (1−f_Z) × R_MW^0.1Z⊙] 将银河系并合率转换为本地宇宙的体积并合率，其中 ρ_gal = 0.01 Mpc⁻³。
• 将预测的体积并合率与Abadie等人（2012）和Aasi等人（2013）提供的现有LIGO/Virgo上限在总双星质量区间（2–5 M⊙ 至 73–91 M⊙）进行比较。
• 使用标准模型（S）及其变体（V5–V17）探索对不确定物理参数（如供体束缚能和共包层能量预算）的敏感性。
• 评估非探测或探测结果对约束金属丰度依赖性和黑洞原生反冲等天体物理过程的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 理论预测的双致密星体并合率与当前LIGO/Virgo上限相比如何？
• RQ2 基于当前理论并合率估计，先进LIGO/Virgo仪器探测黑洞-黑洞双星的可能性有多大？
• RQ3 共包层演化和黑洞原生反冲的不确定性如何影响预测的并合率？
• RQ4 从未来对致密星体并合的非探测或上限中，可提取哪些天体物理信息？
• RQ5 预测的中子星-中子星并合率在多大程度上与来自银河系双中子星系统和短伽马射电暴的实测估计一致？

主要发现

• 对于总质量为50–70 M⊙的黑洞-黑洞系统，最乐观的理论模型预测的并合率约为当前LIGO/Virgo上限的1/3，表明只需适度提升灵敏度即可实现首次探测。
• 理论预测的中子星-中子星并合率比当前LIGO/Virgo上限低约3个数量级，表明即使在设计灵敏度下（体积并合率提高1000倍），中子星-中子星探测仍无法保证。
• 尽管预测率较低，理论中子星-中子星并合率仍与来自银河系双中子星系统和短伽马射电暴的实测估计一致，尽管处于实测范围的低端。
• 如果在先进LIGO/Virgo观测中未探测到黑洞-黑洞双星，由此产生的上限将对关键形成参数（如宿主星系金属丰度和黑洞原生反冲）提供强约束。
• 探测到的黑洞-黑洞双星的最大总质量将区分共包层演化模型的两大主要类型，为双星演化理论提供直接检验。
• 在54–73 M⊙质量区间，最乐观模型（V11A）的预测并合率达到2.0×10⁻⁷ Mpc⁻³ yr⁻¹，仍低于LIGO/Virgo上限0.7×10⁻⁷ Mpc⁻³ yr⁻¹，表明仍存在探测余地。