[论文解读] New insights on binary black hole formation channels after GWTC-2: young star clusters versus isolated binaries

Y. Bouffanais, Michela Mapelli+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 146被引用 72

一句话总结

本研究利用贝叶斯分层建模和N体/群体合成模拟，基于GWTC-2数据，比较孤立双星演化与年轻星团中的动力学形成作为双黑洞（BBH）形成渠道的贡献。研究发现，两种渠道的混合最能解释观测结果，当自旋幅值适中时，动力学形成更受青睐（中位数f = 0.26）；当自旋幅值较高时，其优势显著增强（f ≤ 0.1）。此外，金属丰度弥散度对推断的混合比例有显著影响。

ABSTRACT

With the recent release of the second gravitational-wave transient catalogue (GWTC-2), which introduced dozens of new detections, we are at a turning point of gravitational wave astronomy, as we are now able to directly infer constraints on the astrophysical population of compact objects. Here, we tackle the burning issue of understanding the origin of binary black hole (BBH) mergers. To this effect, we make use of state-of-the-art population synthesis and N-body simulations, to represent two distinct formation channels: BBHs formed in the field (isolated channel) and in young star clusters (dynamical channel). We then use a Bayesian hierarchical approach to infer the distribution of the mixing fraction $f$, with $f=0$ ($f=1$) in the pure dynamical (isolated) channel. %that controls the proportion of isolated and dynamical BBHs. We explore the effects of additional hyper-parameters of the model, such as the spread in metallicity $\sigma_{ ext{Z}}$ and the parameter $\sigma_{ ext{sp}}$, describing the distribution of spin magnitudes. We find that the dynamical model is slightly favoured with a median value of $f=0.26$, when $\sigma_{ ext{sp}}=0.1$ and $\sigma_{ ext{Z}}=0.4$. Models with higher spin magnitudes tend to strongly favour dynamically formed BBHs ($f\le{}0.1$ if $\sigma_{ ext{sp}}=0.3$). Furthermore, we show that hyper-parameters controlling the rates of the model, such as $\sigma_{ m Z}$, have a large impact on the inference of the mixing fraction, which rises from $0.18$ to $0.43$ when we increase $\sigma_{ ext{Z}}$ from 0.2 to 0.6, for a fixed value of $\sigma_{ ext{sp}}=0.1$. Finally, our current set of observations is better described by a combination of both formation channels, as a pure dynamical scenario is excluded at the $99\%$ credible interval, except when the spin magnitude is high.

研究动机与目标

• 确定孤立双星演化与年轻星团中动力学形成对GWTC-2中观测到的双黑洞并合事件的相对贡献。
• 评估自旋幅值分布不确定性和金属丰度弥散度对形成渠道混合比例推断的影响。
• 检验GWTC-2中观测到的BBH种群是否可由纯孤立双星情景解释，或是否需要引入动力学成分。
• 量化天体物理模型超参数对形成渠道混合比例推断的影响。
• 评估当前数据是否支持单一形成渠道，还是需要孤立与动力学路径的组合。

提出的方法

• 采用最先进的群体合成（mobse）和N体模拟，对孤立双星与年轻星团中的BBH形成进行建模。
• 使用贝叶斯分层框架推断混合比例f，其中f = 0表示纯动力学形成，f = 1表示纯孤立演化。
• 引入超参数σsp（自旋幅值分布的标准差）和σZ（金属丰度弥散度）以探究模型敏感性。
• 基于O3a灵敏度应用探测概率加权（pdet），以校正GWTC-2观测样本中的选择效应。
• 通过基于似然的推断方法，将模拟的BBH种群（质量、自旋、啁啾质量）与观测到的GWTC-2事件进行比较。
• 通过贝叶斯证据进行模型比较，评估在不同假设下动力学形成与孤立形成的支持程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于GWTC-2数据，动力学与孤立BBH形成渠道之间的推断混合比例f是多少？
• RQ2 自旋幅值分布（σsp）和金属丰度弥散度（σZ）的变化如何影响对形成渠道偏好的推断？
• RQ3 纯孤立双星形成情景是否与观测到的GWTC-2 BBH种群一致？
• RQ4 σZ和σsp等模型超参数在多大程度上影响f的推断值？
• RQ5 观测到的有效自旋χeff分布（包括负值）能否仅由孤立形成解释？

主要发现

• 动力学形成渠道略占优势，当σsp = 0.1且σZ = 0.4时，混合比例的中位数f = 0.26。
• 在高自旋幅值模型中（σsp = 0.3），动力学形成被强烈支持，f ≤ 0.1，原因在于GWTC-2事件中负χeff值的支持。
• 金属丰度弥散度σZ具有显著影响：当σsp = 0.1时，σZ从0.2增至0.6，推断的f值从0.18升至0.43。
• 除自旋幅值较高（σsp = 0.3）的情况外，纯孤立双星情景在99%可信区间内被排除。
• GWTC-2中观测到的BBH种群最宜由两种形成渠道的组合来描述，其中动力学过程对解释高啁啾质量与负有效自旋至关重要。
• 大质量BBH（主星质量 > 60 M⊙）对数据有显著贡献，其存在最宜由年轻星团中的动力学形成解释。