[论文解读] Forward Modelling the O3a GW transient mass distributions with BPASS by varying compact remnant mass and SNe kick prescriptions

Sohan Ghodla, Wouter G. J. van Zeist+3 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

本研究使用 BPASS 代码对 LIGO/Virgo O3a 运行中的引力波（GW）暂现源群体进行正向建模，变化致密残骸质量估计和超新星反冲方案。结果表明，没有任何单一模型能完全匹配观测到的啁啾质量和质量比分布，但通过减少质量间隙附近的低质量黑洞数量并增加低于成对不稳定性极限的高质​​量黑洞数量，可实现更优的拟合，且中子星与黑洞的反冲方案存在差异。

ABSTRACT

We present forward modelling from the extsc{bpass} code suite of the population of observed gravitational wave (GW) transients reported by the LIGO/VIRGO consortium (LVC) during the first half of their third observing run (O3a). Specifically, we predict the expected chirp mass and mass ratio distributions for GW transients, taking account of detector sensitivity to determine how many events should have been detected by the current detector network in O3a. We investigate how these predictions change by alternating between four different remnant mass estimation schemes and two supernovae (SNe) kick prescriptions. We find that none of the model populations resulting from these variations accurately match the whole O3a GW transient catalog. However, agreement from some models to part of the catalog suggests ways to achieve a more complete fit. These include reducing the number of low mass black holes (BHs) close to the mass gap, while also increasing the number of higher mass BHs below the pair-instability SN limit. Finally, we find that the interaction between the value of the remnant mass from a stellar model and the choice of SN kick is complex, and different kick prescriptions may be required depending on whether a neutron star or BH is formed.

研究动机与目标

• 使用 BPASS 恒星群体合成代码预测 O3a 观测运行中引力波暂现源的预期啁啾质量和质量比分布。
• 评估探测器灵敏度对 O3a 目录中可探测事件数量的影响。
• 评估四种不同的致密残骸质量估算方案和两种超新星反冲方案对模型预测的影响。
• 识别可更好地匹配观测到的引力波暂现源目录（尤其是啁啾质量和质量比分布）的模型变体。
• 探讨中子星与黑洞形成过程中残骸质量估算与超新星反冲方案之间的相互作用。

提出的方法

• 使用 BPASS 恒星群体合成代码执行正向建模，以模拟致密双星系统的形成。
• 模型结合探测器灵敏度曲线，估算在 O3a 期间可能被探测到的引力波暂现源数量。
• 应用四种不同的残骸质量估算方案，以改变中子星和黑洞的预测质量。
• 采用两种不同的超新星反冲方案，以探讨原生反冲对双星演化和并合率的影响。
• 将预测的啁啾质量和质量比分布与观测到的 O3a 引力波暂现源目录进行比较，以评估模型保真度。
• 分析残骸质量估算与反冲方案之间的相互作用，以确定是否需要为中子星与黑洞分别采用不同的反冲模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同的致密残骸质量估算方案如何影响 O3a 中引力波暂现源的预测啁啾质量和质量比分布？
• RQ2 不同的超新星反冲方案如何影响 O3a 目录中引力波暂现源的可探测性与分布？
• RQ3 当前的 BPASS 模型在多大程度上能再现 O3a 引力波暂现源目录的完整观测分布（以啁啾质量和质量比衡量）？
• RQ4 为改善与观测到的引力波暂现源群体的匹配度，残骸质量与反冲方案需要进行哪些调整？
• RQ5 最优反冲方案是否对形成的致密残骸类型（中子星与黑洞）存在差异性依赖？

主要发现

• 没有任何单一的残骸质量估算方案与超新星反冲方案组合能完全再现观测到的 O3a 引力波暂现源目录在啁啾质量和质量比分布方面的特征。
• 通过减少质量间隙附近的低质量黑洞数量并增加低于成对不稳定性超新星极限的高质​​量黑洞数量，可实现与观测结果的更优拟合。
• 残骸质量估算与超新星反冲方案之间的相互作用复杂，根据形成的是中子星还是黑洞，可能需要采用不同的反冲模型。
• 本研究强调，当前模型未能充分解释观测分布，表明在致密残骸形成物理机制方面仍存在理解上的空白。
• 探测器灵敏度在标定模型预测中起着关键作用，因为它决定了 O3a 中预期可探测事件的数量。
• 结果表明，未来改进残骸质量与反冲方案是实现与观测到的引力波暂现源群体一致匹配的必要条件。