[论文解读] GW190425 is inconsistent with being a binary neutron star born from a fast merging channel

Mohammadtaher Safarzadeh, E. Ramírez-Ruiz+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 3

一句话总结

本文挑战了将GW190425解释为通过快速并合通道形成的双中子星（BNS）系统的观点，认为其推断出的高并合率与理论预测不一致。文章提出，需重新审视中子星形成模型或假设大质量中子星具有极端磁场特性，以解释该系统的可探测性与形成效率。

ABSTRACT

The LIGO/Virgo Scientific Collaboration (LVC) recently announced the detection of a compact object binary merger, GW190425, with a total mass of $3.4^{+0.3}_{-0.1}$ M$_{\odot}$, and individual component masses in the range of about 1.1 to 2.5 $M_{\odot}$. If the constituent compact objects are neutron stars, then the total mass is five standard deviations higher than the mean of $2.66\pm 0.12$ M$_{\odot}$ for Galactic binary neutron stars (BNSs). LVC suggests such massive BNS systems are born from a fast-merging channel, and therefore, their non-detection in the Galaxy to be due to a selection effect. However, we are unable to reconcile the inferred formation efficiency from the reported merger rate, $\mathcal{R}_{ m GW190425}=460^{+1050}_{-390}$ yr$^{-1}$ Gpc$^{-3}$, with predictions from our own study for fast-merging BNS systems. Moreover, the comparable merger rates of GW190425, and GW170817 are possibly in tension with our results for two reasons: (i) more massive systems are expected to have a lower formation rate, and (ii) fast merging channels should constitute $\lesssim 10\%$ of the total BNS systems if case BB unstable mass transfer is permitted to take place as a formation pathway. We argue that to account for the high merger rate of GW190425 as a BNS system requires: (i) revisiting our understanding of NS formation in supernova explosions, or (ii): that more massive NSs need to be preferentially born with either very weak or very high magnetic fields so that they would be undetectable in the radio surveys. Perhaps massive NSs detected in NS-white dwarf binaries are our clues to the formation path of GW190425 systems.

研究动机与目标

• 评估GW190425是否可被解释为通过快速并合通道形成的双中子星系统。
• 评估GW190425的观测并合率与快速并合BNS系统理论预测的一致性。
• 调查GW190425的高质最是否意味着需对超新星中中子星形成模型进行修正。
• 探索替代解释以说明该系统的可探测性，例如大质量中子星的极端磁场特性。
• 检查中子星-白矮星双星系统中的大质量中子星是否可为GW190425类系统的形成路径提供线索。

提出的方法

• 将GW190425的观测并合率 𝒪(R) = 460⁺¹⁰⁵⁰₋₃₉₀ yr⁻¹ Gpc⁻³ 与快速并合BNS系统的理论预测进行比较。
• 在假设BB型不稳定质量转移是可行形成路径的前提下，评估快速并合BNS系统的预期形成比例。
• 分析GW190425的高质最（3.4 M⊙）与更高质量BNS系统形成率较低的预期之间的矛盾。
• 探讨中子星磁场强度对射电巡天中可探测性的影响，特别是对大质量中子星的影响。
• 考察中子星-白矮星双星的观测证据，以推断与GW190425相关的形成路径。

实验结果

研究问题

• RQ1 GW190425的观测并合率是否与快速并合双中子星系统的理论预测一致？
• RQ2 为何GW190425（总质量为3.4 M⊙）比质量较小的BNS系统更常见，这与预期相反？
• RQ3 银河系中未探测到类似大质量BNS系统，这对快速并合通道的形成效率有何约束？
• RQ4 极端中子星磁场是否可解释为何GW190425类系统中的大质量中子星在射电巡天中未被探测到？
• RQ5 中子星-白矮星双星中的大质量中子星是否提供了GW190425形成机制的观测证据？

主要发现

• GW190425的推断并合率（460⁺¹⁰⁵⁰₋₃₉₀ yr⁻¹ Gpc⁻³）与快速并合双中子星系统的理论预测不一致。
• 更高质量的BNS系统预期形成率更低，但GW190425的高质最与高并合率与此预期相矛盾。
• 若BB型不稳定质量转移是可行的形成路径，则快速并合BNS系统在全部BNS系统中的占比应低于10%，这与GW190425的观测率不一致。
• 为调和高并合率与理论模型之间的矛盾，要么需重新评估超新星中中子星的形成机制，要么大质量中子星必须以极弱或极强磁场形成，以保持射电不可探测状态。
• 在中子星-白矮星双星中观测到的大质量中子星，或可为理解GW190425类系统的形成路径提供关键线索。
• 银河系中未探测到可检测的大质量BNS系统无法仅用选择效应完全解释，表明需对形成模型进行修正。