[论文解读] Which black hole formed first? Mass-ratio reversal in massive binary stars from gravitational-wave data

Matthew Mould, Davide Gerosa+2 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 68被引用 41

一句话总结

本研究利用LIGO/Virgo的引力波数据，调查在大质量双星系统中是否发生了质量比反转——即最初质量较小的恒星形成了质量更大的黑洞。通过建模非相同的自旋分布及自旋可忽略的亚群，作者未发现此类系统的显著证据，将经历质量比反转的系统比例约束在<32%（99%可信区间），而自旋参数χ ≈ 0.2–0.3处存在的显著自旋峰至今仍无法被现有形成模型解释。

ABSTRACT

Population inference of gravitational-wave catalogues is a useful tool to translate observations of black-hole mergers into constraints on compact-binary formation. Different formation channels predict identifiable signatures in the astrophysical distributions of source parameters, such as masses and spins. One example within the scenario of isolated binary evolution is mass-ratio reversal: even assuming efficient core-envelope coupling in massive stars and tidal spin-up of the stellar companion by the first-born black hole, a compact binary with a lighter, non-spinning first-born black hole and a heavier, spinning second-born black hole can still form through mass transfer from the initially more to less massive progenitor. Using current LIGO/Virgo observations, we measure the fraction of sources in the underlying population with this mass-spin combination and interpret it as a constraint on the occurrence of mass-ratio reversal in massive binary stars. We modify commonly used population models by including negligible-spin subpopulations and, most crucially, non-identical component spin distributions. We do not find evidence for subpopulations of black holes with negligible spins and measure the fraction of massive binary stars undergoing mass-ratio reversal to be consistent with zero and $<32\%$ ($99\%$ confidence). The dimensionless spin peaks around $0.2\unicode{x2013}0.3$ appear robust, however, and are yet to be explained by progenitor formation scenarios.

研究动机与目标

• 确定在大质量双星中是否发生了质量比反转，即最初质量较小的恒星形成了质量更大的黑洞。
• 检验当前引力波信号是否表现出非相同自旋分布及自旋可忽略亚群的特征。
• 利用当前LIGO/Virgo观测数据，约束经历质量比反转的双黑洞系统比例。
• 评估在更真实的自旋建模下，先前报告的自旋幅值χ ≈ 0.2–0.3处的过密现象是否依然稳健。

提出的方法

• 对LIGO/Virgo GWTC-2.1目录中的69个可信双黑洞事件应用分层贝叶斯推断。
• 采用改进的种群模型，对主星和次星黑洞使用非相同的自旋分布，允许自旋幅值参数不同。
• 通过在零自旋处设置峰值，引入自旋可忽略的亚群，并测试其占据分数。
• 使用蒙特卡洛积分计算种群似然，重新加权来自注入信号的单事件后验概率和探测概率。
• 使用gwpopulation、bilby和dynesty对后验分布进行采样，对种群参数采用非信息性先验。
• 比较包含与不包含非相同自旋及自旋可忽略成分的模型，以评估质量比反转的证据。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LIGO/Virgo目录中，有多少比例的双黑洞并合事件表现出质量比反转的证据，表现为质量更大的次星黑洞具有显著自旋，而质量更小的主星黑洞自旋可忽略？
• RQ2 当前引力波观测是否支持存在一个自旋可忽略的黑洞亚群，如质量比反转情景所预测？
• RQ3 在考虑非相同自旋分布及自旋可忽略亚群时，观测到的自旋幅值χ ≈ 0.2–0.3处的过密现象是否依然稳健？
• RQ4 能否通过并合黑洞的自旋构型推断黑洞的形成顺序，特别是较重的黑洞是否为后形成？

主要发现

• 经历质量比反转的双黑洞系统比例在99%可信区间内被约束为<32%，当前数据中未发现此类系统的显著证据。
• 缺乏对自旋可忽略黑洞亚群的强有力支持；主星黑洞零自旋的占据分数<46%，次星黑洞则<36%。
• 在较重黑洞具有显著自旋而较轻黑洞自旋可忽略的系统中，其内在比例<32%，此即质量比反转（MRR）比例。
• 即使允许非相同自旋分布及自旋可忽略成分，先前报告的自旋幅值χ ≈ 0.2–0.3处的过密现象依然稳健。
• 后验分布对两个无量纲自旋均大于0.6的双星系统显示支持趋近于零，表明此类系统极不可能存在。
• 结果表明，质量比反转在孤立双星演化中可能极为罕见，或标准孤立双星演化模型中的假设需进行修正。