[论文解读] Mass and effective spin distributions of binary black hole events: Evidence for a population of hierarchical black hole mergers in active galactic nuclei disks

Yuan-Zhu Wang, Yi-Zhong Fan+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 9

一句话总结

本研究分析了LIGO/Virgo在GWTC-1和GWTC-2.1中探测到的双黑洞（BBH）事件，发现有效自旋（$\chi_{\rm eff}$）分布具有质量依赖性，其转变点位于$50M_\odot$附近。研究识别出一个具有类似隆起的主星质量分布的次级群体，其质量延伸至$\sim 100M_\odot$，且$\chi_{\rm eff} \sim 0.3$，与活动星系核（AGN）盘中发生分级并合的预测一致，表明此类环境中的并合速率为$1.7~{\rm Gpc}^{-3}{\rm yr}^{-1}$。

ABSTRACT

The origins of the coalescing binary black holes (BBHs) detected by the advanced LIGO/Virgo are still in debate and clues may present in the mass and effective spin ($χ_{ m eff}$) distributions of these merger events. Here we analyze the GWTC-1 and GWTC-2.1 BBH events, and find evidence for a primary mass dependent $χ_{ m eff}$ distribution. Below (above) the mass of $\sim 50M_\odot$, a nearly zero (relatively high) effective spin is typical. In the joint analysis of the primary mass and $χ_{ m eff}$ distributions, we identify a sub-population of BBHs characterized by both a bump-like primary mass distribution extending to $\sim 100M_\odot$ and a relatively high $χ_{ m eff}\sim 0.3$, consistent with the expectation for the $\geq 2$g merger events in the disks of active galactic nuclei (AGNs). Our results suggest that the merger rate in AGN disks is around $1.7~{ m Gpc}^{-3}{ m yr}^{-1}$.

研究动机与目标

• 利用质量与自旋分布，研究LIGO/Virgo探测到的双黑洞（BBH）并合的天体物理起源。
• 确定观测到的自旋与质量特征是否指向不同的形成通道，特别是分级并合。
• 检验是否存在具有高有效自旋与扩展质量函数的次级群体，其是否与AGN盘中第二代并合的预测相符。
• 基于观测分布，估算AGN盘中分级并合的速率。

提出的方法

• 构建一个双组分模型：一组为恒星起源的BBH（假设$\chi_{\rm eff}$呈高斯分布），另一组为分级并合（具有独立的$\chi_{\rm eff}$分布）。
• 根据主星质量$m_1$划分两组，自由参数$m_{\rm d} \sim 50M_\odot$用于区分低自旋与高自旋区域。
• 主星质量分布建模为混合形式：一个平滑的恒星起源成分，以及一个用于$\geq 2$代并合的隆起状成分。
• 利用AGN盘模拟的理论预测（如Yang等，2019年）对分级并合的$\chi_{\rm eff}$分布进行建模，假设轨道对齐。
• 通过联合似然分析质量与自旋分布，将模型拟合至GWTC-1与GWTC-2.1数据。
• 通过将Yang等（2019年）的理论$\geq 2$代并合速率按比例缩放，使与观测到的非恒星起源事件比例一致，推导出AGN盘中的并合速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 LIGO/Virgo BBH事件中是否存在质量依赖的有效自旋分布的证据？
• RQ2 观测到的质量与自旋分布是否支持AGN盘中存在分级并合的次级群体？
• RQ3 能否用AGN盘中$\geq 2$代并合解释延伸至$\sim 100M_\odot$且$\chi_{\rm eff} \sim 0.3$的隆起状主星质量分布？
• RQ4 基于当前数据，AGN盘中分级BBH并合的估计速率是多少？

主要发现

• 在$m_1 \sim 50M_\odot$处观察到$\chi_{\rm eff}$的明显转变，低于该质量时自旋可忽略，高于该质量时$\chi_{\rm eff} \sim 0.3$。
• 非恒星起源的次级群体表现出一个在$\sim 100M_\odot$处达到峰值的隆起状主星质量分布，与AGN盘中$\geq 2$代并合的预测一致。
• 推断出来自AGN盘分级并合的BBH并合事件占比约为6%，并合速率为$1.7^{+0.9}_{-0.6}~{\rm Gpc}^{-3}{\rm yr}^{-1}$。
• 经过归一化后，Yang等（2019年）的理论$\geq 2$代质量与$\chi_{\rm eff}$分布与观测到的非恒星成分高度吻合。
• 恒星起源成分与先前AGN盘模型中使用的初始质量函数高度一致，支持理论假设的一致性。
• 结果表明，脉动对不稳定超新星（PPISN）质量间隙具有物理意义，这由$\sim 50M_\odot$处质量分布的急剧下降所体现。