[论文解读] Constraints on compact binary merger evolution from spin-orbit misalignment in gravitational-wave observations

B. P. Gompertz, M. Nicholl+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 125被引用 28

一句话总结

本文研究了中子星-黑洞（NS-BH）引力波事件中的自旋-轨道失配，以约束双星演化机制。利用LIGO-Virgo-KAGRA探测到的倾斜角后验分布，发现GW200115、GW190426_152155和GW190917_114630存在显著的反平行自旋-轨道取向，挑战了标准的孤立双星演化模型，暗示可能存在强烈的原生反冲速度或稳定质量转移。这些发现表明，高效的质量转移和各向同性反冲速度在NS-BH形成中起关键作用。

ABSTRACT

The identification of the first confirmed neutron star - black hole (NS-BH) binary mergers by the LIGO, Virgo and KAGRA collaboration provides the opportunity to investigate the properties of the early sample of confirmed and candidate events. Here, we focus primarily on the tilt angle of the black hole's spin relative to the orbital angular momentum vector of the binary, and the implications for the physical processes that determine this tilt. The posterior tilt distributions of GW200115 and the candidate events GW190426_152155 and GW190917_114630 peak at significantly anti-aligned orientations (though display wide distributions). Producing these tilts through isolated binary evolution would require stronger natal kicks than are typically considered (and preferentially-polar kicks would be ruled out), and/or an additional source of tilt such as stable mass transfer. The early sample of NS-BH events are less massive than expected for classical formation channels, and may provide evidence for efficient mass transfer that results in the merger of more massive NS-BH binaries before their evolution to the compact phase is complete. We predict that future gravitational-wave detections of NS-BH events will continue to display total binary masses of $\approx 7$ M$_{\odot}$ and mass ratios of $q \sim 3$ if this interpretation is correct. Conversely, the high mass of the candidate GW191219_163120 suggests a dynamical capture origin. Large tilts in a significant fraction of merging NS-BH systems would weaken the prospects for electromagnetic detection. However, EM observations, including non-detections, can significantly tighten the constraints on spin and mass ratio.

研究动机与目标

• 理解早期NS-BH引力波事件中自旋-轨道失配的物理机制。
• 检验孤立双星演化与动力学形成哪种模型更能解释观测到的倾斜角分布。
• 评估自旋失配对电磁对应体探测和多信使天文学的影响。
• 约束NS-BH双星演化过程中的质量转移效率与原生反冲速度特性。

提出的方法

• 基于GWTC-2、GWTC-2.1和GWTC-3中公开的引力波后验样本，构建了黑洞自旋倾斜角的后验预测分布（PPD）。
• 将NS-BH倾斜角后验分布与Abbott等（2021d）提供的全部双黑洞（BBH）并合事件群体进行比较，以评估统计一致性。
• 利用模拟与理论模型，评估各向同性与极向原生反冲速度对自旋-轨道失配的影响。
• 评估稳定质量转移通过作用于供体恒星的力矩，诱导自旋失配的作用。
• 使用贝叶斯推断量化观测到的倾斜角分布与标准原生反冲速度模型之间的张力。
• 基于推断的演化路径预测未来NS-BH探测趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 NS-BH并合中观测到的自旋-轨道失配是否与孤立双星演化模型一致？
• RQ2 哪些物理机制——如原生反冲速度或质量转移——可解释观测到的反平行自旋分布？
• RQ3 观测到的倾斜角在多大程度上约束了黑洞原生反冲速度的各向同性与大小？
• RQ4 早期NS-BH事件中低总质量（~7 M⊙）与高质量比（q ≈ 3）在多大程度上表明核心塌缩前已发生高效质量转移？
• RQ5 大自旋-轨道失配对NS-BH并合的电磁对应体有何影响？

主要发现

• GW200115、GW190426_152155和GW190917_114630的后验分布峰值位于显著的反平行自旋-轨道取向，表明存在强烈失配。
• 除非原生反冲速度超过典型值，或引入额外的倾转机制（如稳定质量转移），否则这些反平行倾斜角与标准孤立双星演化模型不一致。
• 观测到的低总双星质量（~7 M⊙）与高质量比（q ≈ 3）表明在首次超新星爆发前已发生高效质量转移，支持非经典形成通道。
• 各向同性原生反冲速度优于极向反冲速度，因为后者无法产生观测到的倾斜角分布。
• 在相当一部分NS-BH系统中观测到的高自旋失配降低了电磁对应体的探测前景，尤其是当黑洞自旋反平行时。
• 未来的GW-EM联合观测可收紧对自旋与质量比的约束，打破当前测量中的退化。