[论文解读] The population of merging compact binaries inferred using gravitational waves through GWTC-3

The LIGO Scientific Collaboration, T. D. Abbott+1635 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 215被引用 26

一句话总结

本文基于LIGO-Virgo-KAGRA的前三次观测运行（O1–O3）期间探测到的76个紧凑双星并合事件（使用GWTC-3星表），开展了群体水平分析。研究推断了并合率、质量与自旋分布以及红移演化特征，揭示了在z = 0.2时双黑洞并合率为17.9–44 Gpc⁻³ yr⁻¹，κ = 2.9⁺¹.⁷₋₁.⁸，中子星质量分布较宽（1.2–2.0 M⊙），并发现自旋错位与反平行自旋的证据。

ABSTRACT

We report on the population properties of compact binary mergers inferred from gravitational-wave observations of these systems during the first three LIGO-Virgo observing runs. The Gravitational-Wave Transient Catalog 3 contains signals consistent with three classes of binary mergers: binary black hole, binary neutron star, and neutron star-black hole mergers. We infer the binary neutron star merger rate to be between 10 and 1700 Gpc$^{-3} yr$^{-1}$ and the neutron star-black hole merger rate to be between 7.8 and 140 Gpc$^{-3} yr$^{-1}$, assuming a constant rate density in the comoving frame and taking the union of 90% credible intervals for methods used in this work. We infer the binary black hole merger rate, allowing for evolution with redshift, to be between 17.9 and 44 Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$ at a fiducial redshift (z=0.2). The rate of binary black hole mergers is observed to increase with redshift at a rate proportional to $(1+z)^\kappa$ with $\kappa=2.9^{+1.7}_{-1.8}$ for $z\lesssim1$. Using both binary neutron star and neutron star-black hole binaries, we obtain a broad, relatively flat neutron star mass distribution extending from $1.2^{+0.1}_{-0.2}$ to $2.0^{+0.3}_{-0.3}\,M_\odot$. We confidently determine that the merger rate as a function of mass sharply declines after the expected maximum neutron star mass, but cannot yet confirm or rule out the existence of a lower mass gap between neutron stars and black holes. We also find the binary black hole mass distribution has localized over- and underdensities relative to a power-law distribution, with peaks emerging at chirp masses of $8.3^{+0.3}_{-0.5}$ and $27.9^{+1.9}_{-1.8}\,M_\odot$. While we continue to find that the mass distribution of a binary's more massive component strongly decreases as a function of primary mass, we observe no evidence of a strongly suppressed merger rate above approximately $60\,M_\odot$ [abridged]

研究动机与目标

• 利用引力波观测，推断并合紧凑双星（双黑洞BBH、双中子星BNS及中子星-黑洞NSBH系统）的群体水平特性。
• 在考虑率密度与红移演化不确定性的情况下，确定本地宇宙中双中子星（BNS）与中子星-黑洞（NSBH）系统的并合率。
• 表征紧凑双星系统的质量与自旋分布，包括双黑洞质量函数中过密与欠密区域的证据。
• 研究双黑洞并合率的红移演化，并检验质量间隙或自旋对齐趋势。
• 利用引力波数据的贝叶斯推断，评估群体中自旋-质量相关性与错位现象的存在。

提出的方法

• 采用贝叶斯分层推断框架，基于GWTC-3中76个显著性事件（虚假报警率<1 yr⁻¹）对紧凑双星并合群体进行建模。
• 应用混合模型根据分量质量与信号一致性，将事件分类为BBH、BNS与NSBH，其中GW190814被视作可能的NSBH或BBH。
• 采用灵活的参数化质量分布模型（包含幂律与断点幂律形式），以检测相对于简单幂律的过密与欠密区域。
• 将双黑洞并合率的红移演化建模为与(1 + z)ᵏ成正比，其中k通过非参数先验从数据中推断。
• 在群体模型中引入自旋幅度与取向参数（χ₁, χ₂, χ_eff, cos(θ₁), cos(θ₂)），以评估对齐与错位趋势。
• 采用多种推断方法的90%可信区间并集，报告具有不确定度传播的稳健率估计值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在本地宇宙（z ≈ 0）中，双中子星（BNS）与中子星-黑洞（NSBH）系统的并合率密度是多少？
• RQ2 双黑洞（BBH）并合率如何随红移演化？在关系式(1 + z)ᵏ中，最佳拟合幂律指数κ是多少？
• RQ3 中子星质量分布的形状如何？是否存在中子星与黑洞之间下限质量间隙的证据？
• RQ4 双黑洞质量函数中是否存在局部过密与欠密区域？其啁啾质量分别为多少？
• RQ5 黑洞自旋幅度与取向的分布如何？是否存在自旋错位或反平行的证据？

主要发现

• 双中子星（BNS）并合率估计为10–1700 Gpc⁻³ yr⁻¹，中子星-黑洞（NSBH）并合率估计为7.8–140 Gpc⁻³ yr⁻¹，两者均基于多种推断方法的90%可信区间。
• 在z = 0.2时，双黑洞（BBH）并合率为17.9–44 Gpc⁻³ yr⁻¹，红移演化指数为κ = 2.9⁺¹.⁷₋₁.⁸（适用于z ≲ 1）。
• 中子星质量分布较宽且相对平坦，范围为1.2⁺⁰.¹₋₀.²至2.0⁺⁰.³₋₀.³ M⊙，在最大中子星质量后出现急剧下降。
• 在啁啾质量8.3⁺⁰.³₋₀.⁵ M⊙处检测到双黑洞质量函数中的过密区域，在27.9⁺¹.⁹₋₁.⁸ M⊙处检测到欠密区域。
• 未发现高于60 M⊙并合率被抑制的强证据，表明黑洞中不存在明确的上限质量间隙。
• 黑洞自旋主要较小（50%低于χᵢ ≈ 0.25），存在反平行自旋的证据，且在质量比更不均等的系统中自旋幅度呈增加趋势。