[论文解读] Merger rates of double neutron stars and stellar origin black holes: The Impact of Initial Conditions on Binary Evolution Predictions

S. E. de Mink, Krzysztof Belczyński|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 5

一句话总结

本研究探讨了更新后的初始条件——特别是初始质量函数（IMF）、双星分数以及轨道参数——对双中子星（NS-NS）和黑洞双星（BH-BH、BH-NS）并合率预测的影响。尽管观测到的双星分布发生了显著变化，并合率仍保持在2倍以内，其中只有初始质量函数导致了显著差异（最高达6倍），表明对致密天体并合的群体合成预测对当前双星参数的不确定性具有较强的鲁棒性。

ABSTRACT

The initial mass function (IMF), binary fraction and distributions of binary parameters (mass ratios, separations and eccentricities) are indispensable input for simulations of stellar populations. It is often claimed that these are poorly constrained significantly affecting evolutionary predictions. Recently, dedicated observing campaigns provided new constraints on the initial conditions for massive stars. Findings include a larger close binary fraction and a stronger preference for very tight systems. We investigate the impact on the predicted merger rates of neutron stars and black holes. Despite the changes with previous assumptions, we only find an increase of less than a factor 2 (insignificant compared with evolutionary uncertainties of typically a factor 10-100). We further show that the uncertainties in the new initial binary properties do not significantly affect (within a factor of 2) our predictions of double compact object merger rates. An exception is the uncertainty in IMF (variations by a factor of 6 up and down). No significant changes in the distributions of final component masses, mass ratios, chirp masses and delay times are found. We conclude that the predictions are, for practical purposes, robust against uncertainties in the initial conditions concerning binary parameters with exception of the IMF. This eliminates an important layer of the many uncertain assumptions affecting the predictions of merger detection rates with the gravitational wave detectors aLIGO/aVirgo.

研究动机与目标

• 评估新约束的初始条件（如双星分数、质量比、分离度和偏心率）对双致密天体并合率预测的影响。
• 确定近期对大质量双星系统观测约束是否显著改变群体合成对NS-NS、BH-NS和BH-BH并合率的预测。
• 分离出哪类初始条件不确定性对并合率预测影响最大，特别是在新观测数据揭示近距离双星系统后。
• 评估并合率预测对双星参数不确定性的鲁棒性，及其对引力波探测率建模的启示。
• 通过识别最显著影响最终并合率估计的输入参数，减少群体合成模型中的模型不确定性。

提出的方法

• 作者利用群体合成模拟，基于近期观测活动获得的更新初始条件，模拟大质量双星系统的演化。
• 将采用新观测约束（如更高的近距离双星分数和更强的紧密系统偏好）的结果与以往假设进行对比。
• 模拟追踪双星演化经历的关键阶段：主序阶段、质量转移、共同包层演化以及致密天体形成。
• 通过将模拟并合数量归一化至恒星形成历史和初始质量函数（IMF），计算并合率，并对不同IMF斜率进行敏感性测试。
• 比较不同初始条件集下最终物理量的分布——啁啾质量、组分质量、质量比和延迟时间。
• 通过统计分析量化每类初始条件参数不确定性对预测并合率的影响，特别关注各类不确定性来源的相对贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 对大质量双星系统的更新观测约束如何影响双中子星和恒星起源黑洞并合率的预测？
• RQ2 双星初始参数（质量比、分离度、偏心率、双星分数）的不确定性在多大程度上影响致密天体双星并合率的预测？
• RQ3 在初始条件参数中——IMF、双星分数或轨道分布——哪一个对并合率预测的不确定性影响最大？
• RQ4 尽管新模型对紧密轨道有更强偏好，新的近星点分离度分布是否导致与旧模型相比显著不同的并合率？
• RQ5 啁啾质量、组分质量和延迟时间的最终分布是否对初始双星参数变化保持稳健，还是会出现显著变化？

主要发现

• 更新后的初始条件——特别是更高的近距离双星分数和更强的紧密系统偏好——仅使NS-NS、BH-NS和BH-BH系统的预测并合率增加不到2倍。
• 最终组分质量、质量比、啁啾质量及延迟时间的分布对初始双星参数变化不敏感，在不同输入假设下无显著偏移。
• 尽管初始轨道分布存在差异，旧模型与新模型在首次质量转移开始时的近星点分离度分布几乎完全相同，这是由于相反效应相互抵消所致。
• 唯一导致并合率显著变化的初始条件是初始质量函数（IMF），其对BH-BH并合率的预测影响最高可达6倍，对NS-NS系统的影响最高可达3倍。
• 新双星参数分布对并合率影响微小，原因在于旧模型依赖高度偏心的系统（现被观测所排除），这些系统在旧模型中补偿了新模型中更紧密的初始分布。
• 本研究得出结论：双星参数的不确定性对并合率预测影响不大，从而显著降低了群体合成模型中引力波探测率预测的主要不确定性来源。