[论文解读] Gravitational wave source populations: Disentangling an AGN component

V. Gayathri, D. M. Wysocki+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

本文提出了一种分层群体分析框架，以解耦活动星系核（AGN）盘对引力波源群体的贡献，将基于AGN的形成模型与现象学模型进行比较。研究发现，大质量及大质量比双黑洞并合事件更可能起源于AGN盘，其AGN成分的贡献约为~O(5 Gpc⁻³ yr⁻¹)，而低质量事件则更可能由其他形成渠道解释。

ABSTRACT

The astrophysical origin of the over 90 compact binary mergers discovered by the LIGO and Virgo gravitational wave observatories is an open question. While the unusual mass and spin of some of the discovered objects constrain progenitor scenarios, the observed mergers are consistent with multiple interpretations. A promising approach to solve this question is to consider the observed distributions of binary properties and compare them to expectations from different origin scenarios. Here we describe a new hierarchical population analysis framework to assess the relative contribution of different formation channels simultaneously. For this study we considered binary formation in AGN disks along with phenomenological models, but the same framework can be extended to other models. We find that high-mass and high-mass-ratio binaries appear more likely to have an AGN origin compared to the same origin as lower-mass events. Future observations of high-mass black hole mergers could further disentangle the AGN component from other channels.

研究动机与目标

• 确定AGN盘形成对观测到的引力波双黑洞群体的相对贡献。
• 解决LIGO-Virgo探测到的并合事件在天体物理起源上的模糊性，特别是针对大质量及大质量比事件。
• 开发一种灵活的分层推断框架，可同时建模多种形成渠道，包括AGN和现象学模型。
• 评估AGN形成成分的存在如何影响其他形成渠道（如幂律分布）的推断参数。
• 评估当前引力波数据是否能够区分AGN起源的双黑洞与其他形成情景。

提出的方法

• 提出一种分层贝叶斯群体推断框架，以同时建模多种形成渠道。
• 采用仅含一个参数的AGN盘模型，以最大原初黑洞质量（$m_{\rm max}$）为参数，并采用类似Salpeter的种子黑洞质量函数。
• 整合现象学模型（如幂律和正态分布）以描述非AGN形成渠道。
• 采用基准AGN盘参数：$\alpha = 0.1$，$\epsilon = 0.1$，$M_\bullet = 10^6 \, M_\odot$，以及$\dot{M} = 0.1 \, \dot{M}_{\rm Edd}$。
• 对质量比与总质量空间中观测到的并合率分布进行统计推断，将模型预测与LIGO-Virgo-KAGRA的GWTC-3数据进行比较。
• 使用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样来估计模型参数的后验分布，包括幂律斜率$\alpha$和最小质量$m_{\rm min}$。

实验结果

研究问题

• RQ1 AGN盘形成对观测到的引力波双黑洞群体的相对贡献是多少？
• RQ2 AGN形成双黑洞的推断特性（如质量比、自旋）与其他形成渠道相比如何？
• RQ3 在模型中引入AGN成分在多大程度上影响了现象学模型（如幂律和正态分布）的推断参数？
• RQ4 大质量及大质量比双黑洞是否比其他环境更可能起源于AGN盘？
• RQ5 当前引力波数据能否区分AGN起源的双黑洞与其他形成渠道（如孤立恒星演化）？

主要发现

• AGN成分对总并合率的贡献约为$O(5 \, \text{Gpc}^{-3} \text{yr}^{-1})$，对大质量及大质量比双黑洞的贡献显著。
• 大质量双黑洞（$m_{\rm max} \gtrsim 50 \, M_\odot$）和大质量比并合（$q < 1/10$）更可能起源于AGN盘，而非低质量事件。
• 推断的幂律斜率$\alpha$因模型组成而异：仅使用幂律模型时为$1.6^{+0.2}_{-0.2}$，但当AGN与$m_{\rm min} = 50 \, M_\odot$结合时，斜率增至$8.4^{+2.3}_{-3.4}$。
• 幂律成分的最小质量$m_{\rm min}$从仅使用幂律模型时的$2.5^{+0.3}_{-0.3} \, M_\odot$上升至AGN包含时的$8.5^{+0.2}_{-0.4} \, M_\odot$，表明模型之间存在强烈退化。
• 尽管幂律模型的整体并合率保持稳定，但其参数对AGN及高斯成分的混杂贡献高度敏感。
• 未来对大质量黑洞并合事件的观测有望进一步区分AGN成分与其他形成渠道。