[论文解读] Modelling the formation of the first two neutron star-black hole mergers, GW200105 and GW200115: metallicity, chirp masses and merger remnant spins

Debatri Chattopadhyay, S. P. Stevenson+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 66被引用 23

一句话总结

本研究利用孤立双星演化模拟和COMPAS群体合成代码，对首次观测到的两起中子星-黑洞并合事件GW200105与GW200115的形成过程进行建模。研究发现，亚太阳金属丰度（𝑍≲0.005）强烈偏好于观测到的系统，非旋转黑洞更受青睐，且啁啾质量与残余自旋联合约束形成通道的效果优于有效自旋参数。

ABSTRACT

The two neutron star-black hole mergers (GW200105 and GW200115) observed in gravitational waves by advanced LIGO and Virgo, mark the first ever discovery of such binaries in nature. We study these two neutron star-black hole systems through isolated binary evolution, using a grid of population synthesis models. Using both mass and spin observations (chirp mass, effective spin and remnant spin) of the binaries, we probe their different possible formation channels in different metallicity environments. Our models only support LIGO data when assuming the black hole is non spinning. Our results show a strong preference that GW200105 and GW200115 formed from stars with sub-solar metallicities $Z\lesssim 0.005$. Only two metal-rich ($Z=0.02$) models are in agreement with GW200115. We also find that chirp mass and remnant spins jointly aid in constraining the models, whilst the effective spin parameter does not add any further information. We also present the observable (i.e. post selection effects) median values of spin and mass distribution from all our models, which maybe used as a reference for future mergers. Further, we show that the remnant spin parameter distribution exhibits distinguishable features in different neutron star-black hole sub-populations. We find that non-spinning, first born black holes dominate significantly the merging neutron star-black hole population, ensuring electromagnetic counterparts to such mergers a rare affair.

研究动机与目标

• 利用孤立双星演化模型研究首次观测到的中子星-黑洞（NS-BH）并合事件GW200105与GW200115的形成路径。
• 确定这些系统中黑洞或中子星哪个先形成（即BHNS与NSBH子群体）。
• 基于观测到的引力波参数，约束前身恒星环境的金属丰度。
• 评估黑洞自旋、啁啾质量与残余自旋在区分形成通道中的作用。
• 为未来NS-BH并合观测提供参考的中位自旋与质量分布。

提出的方法

• 采用COMPAS群体合成代码，在金属丰度（𝑍=0.0001至0.02）和演化参数的网格上模拟孤立双星演化。
• 使用四种主要模型——悲观型、乐观型、Kick_100与Alpha_2——通过改变共包层效率、新生冲量和自旋对齐的假设。
• 假设黑洞自旋与轨道角动量对齐，并检验了超新星冲量导致自旋失配的影响。
• 将模型预测的啁啾质量、有效自旋（𝜒eff）与残余自旋（𝜒rem）与LIGO/Virgo对GW200105与GW200115的观测结果进行比较。
• 通过匹配质量、自旋与残余参数的观测90%可信区间来评估模型的成功程度。
• 从所有模型中生成中位自旋与质量分布，作为未来观测对比的参考网格。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪种形成通道——BHNS或NSBH——最能解释GW200105与GW200115的观测特性？
• RQ2 这些NS-BH双星前身恒星的首选金属丰度范围是什么？
• RQ3 观测结果更一致于并合前黑洞为旋转还是非旋转？
• RQ4 GW200105与GW200115的观测残余自旋是否提供了超越啁啾质量与有效自旋的额外约束？
• RQ5 观测到的自旋与质量分布能否区分BHNS与NSBH子群体？

主要发现

• 对于GW200105与GW200115，亚太阳金属丰度（𝑍≲0.005）强烈受青睐，仅有两个金属丰度较高（𝑍=0.02）的模型能匹配GW200115。
• 并合前的黑洞强烈偏好为非旋转；仅有单一模型中黑洞旋转能匹配GW200105。
• 啁啾质量与残余自旋联合约束形成模型的效果优于有效自旋参数，后者未提供额外信息。
• 在大多数模型中，NSBH系统对并合NS-BH双星的贡献不足1%，而BHNS系统则占主导地位，数量级上远超NSBH。
• BHNS与NSBH子群体的残余自旋分布表现出可区分的特征，使未来可实现有效鉴别。
• 由于并合群体中主导为非旋转、先形成的黑洞，NS-BH并合的电磁对应体可能极为稀少。