[论文解读] Signatures of spin precession and nutation in isolated black-hole binaries

Nathan Steinle, Michael Kesden|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 59被引用 9

一句话总结

本文通过五个几何进动参数量化了孤立双黑洞（BBHs）中的自旋进动与章动，将其与天体物理形成路径相联系。研究发现，章动——由自旋-自旋耦合驱动——在黑洞通过最小核心-包层耦合继承沃尔夫-拉叶星高自旋时最为显著，使章动成为孤立双星形成中此类耦合的潜在‘确凿证据’。

ABSTRACT

The spin precession of binary black holes (BBHs) that originate from isolated high-mass binary stars is determined by the interplay of phenomena such as tides, winds, accretion, common-envelope evolution, natal kicks, and stellar core-envelope coupling. In previous work, we identified regions of the parameter space that may produce BBHs with large misalignments from natal kicks and high spin magnitudes from three mechanisms - tides, accretion, or inheritance via minimal core-envelope coupling. Here, we explore the spin precession of such BBHs using five parameters that describe the amplitude and frequency with which the orbital angular momentum precesses and nutates about the total angular momentum, modulating the gravitational-wave emission. Precession is generally possible for sufficiently strong natal kicks provided at least one of the black holes is spinning. Nutation is a consequence of spin-spin coupling and depends on the three spin-up mechanisms. Tidal synchronization can leave a distinct correlation between the aligned effective spin and the nutation frequency, but does not produce large nutations. When a black hole accretes $\gtrsim 20\%$ of its companion's envelope, the precession frequency and amplitude are large. A much smaller amount of accretion, e.g., $\approx 2\%$, is needed to provide a large precession frequency and amplitude when the accretor is a Wolf-Rayet (WR) star. The inheritance of high natal WR spins ($\gtrsim 5\%$ of their maximum breakup value) via minimal core-envelope coupling is the most promising mechanism for producing nutating BBHs, implying that a measurement of nutation from gravitational-wave observations may suggest isolated-binary origin with minimal core-envelope coupling.

研究动机与目标

• 识别孤立双星演化中产生双黑洞显著自旋进动与章动的天体物理路径。
• 量化进动与章动的振幅和频率如何依赖于初始双星参数，如原初反冲强度、吸积分数和初始自旋。
• 确定引力波观测中章动是否可区分孤立双星形成与动力学起源。
• 确立章动是孤立BBHs中最小核心-包层耦合的稳健信号，为形成通道提供新诊断工具。

提出的方法

• 使用五个几何进动参数——进动振幅⟨θL⟩、进动频率⟨ΩL⟩、章动振幅∆θL、章动频率ω和进动频率变化∆ΩL——源自有效势能形式化方法。
• 将这些参数应用于建模四种演化路径形成的BBHs：稳定质量转移（SMT）、共包层演化（CEE），以及不同初始条件下的超新星原初反冲。
• 使用三种机制模拟自旋演化：潮汐同步、最多吸积伴星包层20%的质量，以及继承沃尔夫-拉叶星自旋（fB为破裂极限的分数）。
• 通过ZAMS质量、分离度、金属丰度和原初反冲速度弥散度σ模拟孤立双星演化，追踪自旋与轨道角动量演化。
• 分析进动与章动参数对fB、fa（吸积分数）、σ和aZAMS（初始分离度）的依赖性，采用后牛顿近似。
• 比较不同路径的输出结果，识别哪些机制产生显著的进动与章动，尤其在最小核心-包层耦合条件下。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些孤立双星形成路径会在双黑洞中产生显著的自旋进动与章动？
• RQ2 原初反冲强度与吸积分数如何影响进动与章动的振幅与频率？
• RQ3 章动能否作为孤立BBHs中最小核心-包层耦合的唯一诊断指标？
• RQ4 潮汐同步与吸积在形成进动系统中的作用分别是什么？
• RQ5 五个进动参数如何与沃尔夫-拉叶星自旋继承或吸积等天体物理形成机制相关联？

主要发现

• 章动仅在恒星角动量输运效率低下时可能发生，使其成为最小核心-包层耦合的强指标。
• 吸积伴星包层质量超过≈20%时，导致显著的进动频率与振幅；而从沃尔夫-拉叶星吸积约2%的质量即可产生大的进动频率与振幅。
• 潮汐同步产生有效自旋与章动频率之间的独特关联，但不会引发显著章动。
• 通过最小核心-包层耦合继承高初始沃尔夫-拉叶星自旋（≳5%破裂值）是产生可探测章动BBHs的最有力机制。
• 当至少一个黑洞自旋时，足够强的原初反冲可引发进动，且进动振幅与频率随反冲强度和自旋大小而增加。
• 章动振幅与频率与随时间变化的总自旋大小强相关，证实章动源于自旋-自旋耦合，当S不守恒时产生。