[论文解读] Observational evidence for stellar mass binary black holes and their coalescence rate

T. Bulik, Krzysztof Belczyński|ArXiv.org|Jul 31, 2009

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 3

一句话总结

本文利用IC10 X-1（一个质量巨大的黑洞正在从一颗沃尔夫-拉叶星吸积物质的系统）提供了恒星级双黑洞（BBH）的观测证据，并估算其并合率为0.06 Mpc⁻³ Myr⁻¹，LIGO/Virgo探测率为0.69 yr⁻¹，表明双黑洞并合比双中子星并合更有可能成为首个被探测到的引力波源。

ABSTRACT

We review the formation scenarios for binary black holes, and show that their coalescence rate depends very strongly on the outcome of the second mass transfer. However, the observations of IC10 X-1, an binary with a massive black hole accreting from a Wolf-Rayet star proves that this mass transfer can be stable. We analyze the future evolution of IC10 X-1 and show that it is very likely to form a binary black hole system merging in a few Gyrs. We estimate the coalescence rate density of such systems to be $ 0.06 { m Mpc}^{-3} { m Myr}^{-1}$, and the detection rate for the current LIGO/VIRGO of $ 0.69 { m yr}^{-1} $, a much higher value than the expected double neutron star rate. Thus the first detection of a gravitational wave source is likely to be a coalescence of a binary black hole.

研究动机与目标

• 基于观测约束，评估恒星级双黑洞（BBH）的形成与并合率。
• 研究在类似IC10 X-1的高质量双星系统中，尽管存在共同包层（CE）阶段的挑战，稳定的质量转移是否仍能导致BBH的形成。
• 以IC10 X-1系统为原型，估算BBH的可探测并合率，为LIGO/Virgo的探测前景提供参考。
• 将BBH的预期探测率与双中子星（DNS）的探测率进行比较，评估哪一类更可能成为首个被探测到的源。

提出的方法

• 分析IC10 X-1的演化路径，该系统为一颗大质量黑洞与一颗沃尔夫-拉叶星组成的双星系统，以评估其形成BBH的潜力。
• 使用StarTrack双星群体合成代码模拟高质量双星系统的演化，评估其在第二次质量转移和共同包层阶段后的存活能力。
• 估算IC10 X-1未来形成的BBH的啁啾质量约为14 M⊙，该参数决定了引力波探测器的探测范围。
• 应用可探测距离的标度关系 D ∝ M̃^{5/6}（其中 M̃ 为啁啾质量），计算有效探测体积。
• 基于观测到的WR星相位体积与寿命，假设保守的调查极限，估算并合率密度。
• 基于LIGO/Virgo的灵敏度，通过将典型DNS系统（1.4 M⊙ + 1.4 M⊙）作为信噪比与探测范围的参考，对探测率进行归一化处理。

实验结果

研究问题

• RQ1 在类似IC10 X-1的高质量双星系统中，稳定的质量转移是否能导致双黑洞系统的形成？
• RQ2 基于IC10 X-1系统，恒星级双黑洞的预期并合率密度是多少？
• RQ3 在当前LIGO/Virgo灵敏度频段内，BBH并合的探测率与双中子星系统的探测率相比如何？
• RQ4 影响预测BBH并合率的主要不确定性因素是什么，特别是关于恒星风质量损失与啁啾质量方面？

主要发现

• IC10 X-1（一个正在从沃尔夫-拉叶星吸积物质的大质量黑洞）提供了观测证据，表明在高质量双星系统中稳定质量转移是可能发生的。
• 该系统预计将在数亿年内演化为双黑洞系统，证实了一条可行的形成路径。
• 此类BBH系统的估算并合率密度为0.06 Mpc⁻³ Myr⁻¹，显著高于预期的双中子星并合率。
• 当前LIGO/Virgo仪器的预测探测率为0.69 yr⁻¹，表明在双中子星并合之前更有可能探测到一次BBH并合。
• IC10 X-1未来形成的BBH的啁啾质量估算约为14 M⊙，与典型DNS系统相比，探测范围扩大了约7.8倍。
• 由于对WR星寿命、可探测距离和天空覆盖范围等采用了保守假设，该速率估计被视为一个保守的下限。