[论文解读] Modelling the host galaxies of binary compact object mergers with observational scaling relations

Filippo Santoliquido, Michela Mapelli+2 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 162被引用 36

一句话总结

本文提出 galaxyRate，一种快速的数值代码，利用观测到的缩放关系（如恒星质量函数、恒星形成率分布以及金属丰度关系 MZR 和 FMR）来模拟双致密星体（BCO）并合的宿主星系。该模型区分了形成星系（FGs）与宿主星系（HGs），表明 BBH 和 BHNS 并合在低质量、低金属丰度星系中形成，但在大质量、高金属丰度宿主中并合；而 BNS 并合则在大质量星系中形成并并合。该模型预测，本地宇宙中 5–10% 的 BNS、15–25% 的 BHNS 和 15–35% 的 BBH 并合发生在宁静星系中。

ABSTRACT

The merger rate density evolution of binary compact objects and the properties of their host galaxies carry crucial information to understand the sources of gravitational waves. Here, we present galaxyRate, a new code that estimates the merger rate density of binary compact objects and the properties of their host galaxies, based on observational scaling relations. We generate our synthetic galaxies according to the galaxy stellar mass function. We estimate the metallicity according to both the mass-metallicity relation (MZR) and the fundamental metallicity relation (FMR). Also, we take into account galaxy-galaxy mergers and the evolution of the galaxy properties from the formation to the merger of the binary compact object. We find that the merger rate density changes dramatically depending on the choice of the star-forming galaxy main sequence, especially in the case of binary black holes (BBHs) and black hole neutron star systems (BHNSs). The slope of the merger rate density of BBHs and BHNSs is steeper if we assume the MZR with respect to the FMR, because the latter predicts a shallower decrease of metallicity with redshift. In contrast, binary neutron stars (BNSs) are only mildly affected by both the galaxy main sequence and metallicity relation. Overall, BBHs and BHNSs tend to form in low-mass metal-poor galaxies and merge in high-mass metal-rich galaxies, while BNSs form and merge in massive galaxies. We predict that passive galaxies host at least ~5-10%, ~15-25%, and ~15-35% of all BNS, BHNS and BBH mergers in the local Universe.

研究动机与目标

• 利用观测到的缩放关系，对双致密星体（BCO）的宇宙并合率密度进行建模，并表征其宿主星系（HG）的性质。
• 填补对宿主星系性质（尤其是质量、恒星形成率（SFR）和金属丰度）从 BCO 形成到并合过程中的演化理解的空白。
• 量化不同金属丰度关系（MZR 与 FMR）以及恒星形成主序列假设对并合率密度和宿主星系人口统计的影响。
• 评估宁静星系在宿主 BCO 并合中的贡献，尤其是在本地宇宙中。
• 为探测 BCO 并合参数空间，提供一种计算效率更高的替代宇宙学模拟的方法。

提出的方法

• galaxyRate 基于宇宙时空中观测到的星系恒星质量函数和 SFR 分布，生成合成星系。
• 利用质量-金属丰度关系（MZR）和基本金属丰度关系（FMR）估算金属丰度，包含红移相关的演化。
• 采用一种新颖的条件概率算法，区分形成星系（FG）与宿主星系（HG），并考虑 BCO 延迟时间内的星系并合与演化。
• 该代码使用 EAGLE 宇宙学模拟中的并合树，以模拟星系质量与 SFR 的演化，从而实现对 FG 到 HG 转换的现实追踪。
• 整合了基于最新双星群体合成模拟（mobse）的延迟时间，对共包层效率（α）和金属丰度敏感。
• 该模型具有灵活性，可接受来自现象学 BCO 并合模型的外部星表，从而实现对广泛参数空间的探索。

实验结果

研究问题

• RQ1 恒星形成主序列的选择如何影响 BBH、BHNS 和 BNS 并合率密度的预测？
• RQ2 MZR 与 FMR 在 BCO 并合宿主星系性质的预测上有多大差异？
• RQ3 延迟时间分布如何影响宿主星系的质量与 SFR 演化，相较于形成星系？
• RQ4 有多少比例的 BCO 并合发生在宁静星系中？这一比例如何依赖于‘宁静星系’的定义？
• RQ5 为何预测的 BBH 并合率密度高于 LVK GWTC-3 范围？形成通道假设在此中起什么作用？

主要发现

• 使用 MZR 时，BBH 和 BHNS 的并合率密度下降更陡峭，因为 FMR 预测金属丰度随红移的衰减更平缓。
• BBH 和 BHNS 并合在低质量、低金属丰度星系中形成，但在高质​​量、高金属丰度宿主中并合；而 BNS 并合则在大质量星系中形成并并合，其 FG 与 HG 性质相似。
• 该模型预测，在本地宇宙中，5–10% 的 BNS、15–25% 的 BHNS 和 15–35% 的 BBH 并合发生在宁静星系中，具体比例取决于宁静星系的定义。
• 预测与观测的 BBH 并合率密度之间的差异，可能源于双星演化模型的高估，或忽略了动力学形成通道。
• 延迟时间分布受共包层效率（α）影响，进而影响 HG 质量：较长延迟时间（α = 5）导致更多质量较大的 HG，因星系并合；而较短延迟时间（α = 1）则导致更多并合发生在低质量星系中。
• BNS 每单位星系的并合率与宿主星系恒星质量强相关，而 BBH 和 BHNS 的相关性较弱，尤其在 FMR 情况下。