[论文解读] Stellar-mass black holes in young massive and open stellar clusters and their role in gravitational-wave generation IV: updated stellar-evolutionary and black hole spin models and comparisons with the LIGO-Virgo O1/O2 merger-event data

Sambaran Banerjee|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 1

一句话总结

本研究利用更新的N体模拟，结合先进的恒星演化、超新星及黑洞新生反冲速度模型（包括对不稳定对超新星和脉动对不稳定超新星），表明年轻大质量星团（YMCs）和疏散星团（OCs）能自然产生与LIGO-Virgo O1/O2观测一致的双黑洞（BBH）并合事件。该模型再现了关键并合特性，包括GW170729的高质量、有效自旋及最终自旋，以及GW190412的质量不对称性，尤其在黑洞经历并合后自旋提升或吸积时表现更佳。

ABSTRACT

I present a set of long-term, direct, relativistic many-body computations of model dense stellar clusters with up-to-date stellar-evolutionary, supernova (SN), and remnant natal-kick models, including pair instability and pulsation pair instability supernova (PSN and PPSN), using an updated version of NBODY7 N-body simulation program. The N-body model also includes stellar evolution-based natal spins of BHs and treatments of binary black hole (BBH) mergers based on numerical relativity. These, for the first time in a direct N-body simulation, allow for second-generation BBH mergers. The set of 65 evolutionary models have initial masses $10^4M_\odot-10^5M_\odot$, sizes 1 pc-3 pc, metallicity $0.0001-0.02$, with the massive stars in primordial binaries and they represent young massive clusters (YMC) and moderately massive open clusters (OC). Such models produce dynamically-paired BBH mergers that agree well with the observed masses, mass ratios, effective spin parameters, and final spins of the LVC O1/O2 merger events, provided BHs are born with low or no spin but spin up after undergoing a BBH merger or matter accretion onto it. In particular, the distinctly higher mass, effective spin parameter, and final spin of GW170729 merger event is naturally reproduced, as also the mass asymmetry of the O3 event GW190412. The computed models produce massive, $\sim100M_\odot$ BBH mergers with primary mass within the 'PSN gap' and also yield mergers involving remnants in the 'mass gap'. They also suggest that YMCs and OCs produce persistent, Local-Universe GW sources detectable by LISA. Such clusters are also capable of producing eccentric LIGO-Virgo mergers.

研究动机与目标

• 利用更新的物理模型，模拟年轻大质量星团与疏散星团中恒星级黑洞的形成与演化。
• 研究密集星团中动力学过程如何产生与LIGO-Virgo O1/O2观测一致的双黑洞并合事件。
• 评估黑洞自旋演化（特别是并合后自旋提升）在重现观测到的并合特性（如有效自旋与最终自旋）中的作用。
• 评估此类星团作为LISA频段中持续可探测引力波源的潜力。
• 探索星团产生偏心并合事件及质量间隙区域残余物的可能性。

提出的方法

• 采用更新的NBODY7 N体代码，结合相对论多体动力学与恒星演化的直接积分。
• 整合最先进的超新星模型，包括脉动对不稳定（PSN）与对不稳定（PPSN）超新星。
• 基于恒星演化模型引入黑洞的新生自旋，并应用基于数值相对论的并合处理方法。
• 首次在N体框架中通过直接模拟追踪第二代BBH并合事件。
• 模拟了65组模型，初始质量范围为10⁴至10⁵ M⊙，大小为1–3 pc，金属丰度为0.0001至0.02。
• 使用大质量恒星的原初双星系统，以模拟真实的星团动力学与黑洞形成过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 更新的密集恒星星团N体模拟能否重现LIGO-Virgo O1/O2双黑洞并合事件的观测质量、质量比与自旋参数？
• RQ2 黑洞新生自旋与并合后自旋提升如何影响模拟并合事件与GW170729及GW190412等观测事件的一致性？
• RQ3 年轻大质量星团与疏散星团是否会产生大量涉及质量间隙或PSN间隙黑洞的并合事件？
• RQ4 此类星团能否成为LISA频段中持续可探测的引力波源？
• RQ5 这些星团产生LIGO-Virgo可探测的偏心双黑洞并合事件的可能性有多大？

主要发现

• 当黑洞以低自旋或无自旋诞生，但随后经历并合后自旋提升或吸积时，模拟结果能准确再现LIGO-Virgo O1/O2并合事件的观测质量、质量比、有效自旋参数与最终自旋。
• GW170729事件的高质质量、有效自旋与最终自旋可被模型自然再现，尤其得益于并合后自旋提升机制。
• 该模型成功再现了GW190412 O3事件的质量不对称性，表明与观测到的分层质量分布一致。
• 模拟产生了主星质量位于“PSN间隙”区域的高质量BBH并合事件，以及质量间隙区域的残余物，与理论预期相符。
• 模型预测YMCs与OCs可在LISA频段中产生持续且可探测的引力波源。
• 星团具备生成偏心双黑洞并合事件的能力，这些事件可能被LIGO-Virgo探测到。