[论文解读] The origin and evolution of LIGO's first gravitational-wave source

Krzysztof Belczyński, D. E. Holz+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 22被引用 29

一句话总结

本文研究了LIGO首次探测到的引力波信号GW150914的起源，得出结论：该信号极有可能源自于低金属度环境中形成的孤立双黑洞系统。研究发现，黑洞自旋方向一致以及并合率为200 Gpc⁻³ yr⁻¹——与LIGO的实测估计一致——支持孤立双星演化模型，而非动力学形成或奇异演化通道。

ABSTRACT

LIGO has detected gravitational waves from the coalescence and merger of two massive stellar-origin black holes. The detection is consistent with our earlier predictions that the first LIGO detections from massive binary black hole mergers were imminent, based on isolated binary evolution. Within our classical evolutionary scenario we find that the stellar progenitors of the black holes constituting GW150914 most likely formed in low metallicity environments (Z 400 km/s) for massive black holes are unlikely. Development and survival of the common envelope is likely restricted to evolved stars. While models based on dynamical formation do not predict that the BH spins should be preferentially aligned with the binary angular momentum, our models of isolated BH-BH formation favor aligned BH spins (assuming that the progenitor star spins are aligned when the binaries form). We find that the existence of GW150914 does not require enhanced double black hole formation in dense stellar clusters or via exotic evolutionary channels. Our standard model BH-BH merger rate (200 Gpc^-3 yr^-1) is consistent with the LIGO empirical estimate (2-400 Gpc^-3 yr^-1) and it is 40 times higher than the typical rate of dynamically formed mergers. We predict that BH-BH mergers with total mass of 20-80 Msun are to be detected next.

研究动机与目标

• 确定GW150914——LIGO首次探测到的双黑洞并合引力波信号——的天体物理起源。
• 评估GW150914的观测特性（如黑洞质量与自旋取向）是否更支持孤立双星演化，而非密集星团中的动力学形成。
• 评估标准恒星演化模型在解释观测到的并合率与自旋特征方面的可行性。
• 检验是否需要引入奇异演化通道或密集星团中的增强形成机制来解释GW150914。

提出的方法

• 在低金属度环境（Z < 0.002）中模拟大质量恒星的孤立双星演化，以模拟黑洞的形成与并合过程。
• 应用公共包层演化模型，评估双星系统在主序后阶段的存活率与稳定性。
• 在假设前身恒星初始自旋方向一致的前提下，将预测的黑洞自旋取向与观测数据进行比较。
• 计算孤立黑洞双星的预期并合率（200 Gpc⁻³ yr⁻¹），并与LIGO的实测估计（2–400 Gpc⁻³ yr⁻¹）进行对比。
• 通过对比自旋取向预测与观测结果，评估在密集星团中动力学形成的可能性。
• 利用恒星演化与双星相互作用模型，评估公共包层演化在演化恒星中的合理性。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪种天体物理环境最符合GW150914双黑洞系统的形成？
• RQ2 GW150914中观测到的黑洞自旋取向是否更支持孤立双星演化，而非动力学形成情景？
• RQ3 GW150914的观测并合率是否与标准孤立双星演化模型一致？
• RQ4 是否无需引入奇异演化通道或密集星团环境，即可解释GW150914的特性？
• RQ5 总质量在20至80倍太阳质量之间的黑洞双星的预测并合率是多少？

主要发现

• GW150914黑洞的恒星前身体最可能形成于低金属度环境（Z < 0.002），与孤立双星演化一致。
• 观测到的黑洞自旋方向与轨道角动量一致，最合理的解释是孤立双星演化，而非动力学形成。
• 孤立黑洞双星的预测并合率为200 Gpc⁻³ yr⁻¹，与LIGO的实测估计（2–400 Gpc⁻³ yr⁻¹）一致。
• 孤立演化路径的并合率是典型动力学形成黑洞双星的40倍。
• 公共包层演化可能仅限于演化后的恒星，支持其在稳定大质量双星系统中的作用。
• 基于该模型，预测未来将探测到总质量在20至80倍太阳质量之间的黑洞双星。