利用引力波观测塑造双黑洞并合效率
Shaping binary black hole merger efficiency with gravitational wave observations
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- Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati（高级研究国际学院）
- Department of Physics, University of Trento（特伦托大学物理系）
- Universität Heidelberg, Zentrum für Astronomie (ZAH), Institut für Theoretische Astrophysik（海德堡大学天体物理学中心（ZAH）理论天体物理研究所）
- Max-Planck-Institut für Astronomie（马克斯·普朗克天文学研究所）
- Universität Heidelberg, Interdiszipliäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen（海德堡大学跨学科科学计算中心）
- Dipartimento di Fisica e Astronomia Galileo Galilei, Università di Padova（帕多瓦大学伽利略·伽利莱物理与天文系）
- INFN, Sezione di Padova（意大利国家核物理研究所帕多瓦分部）
- Institute for Fundamental Physics of the Universe (IFPU)（宇宙基础物理研究所）
- Istituto Nazionale Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Trieste（意大利国家核物理研究所里雅斯特分部）
- INAF - Istituto di Radioastronomia（意大利国家天体物理研究所射电天文台）
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中文总结 AI 辅助
本研究提出半参数双黑洞种群模型，拟合引力波数据，发现孤立并合效率需降低约一个数量级，动力学通道效率更高，两通道贡献相当，并给出延迟时间分布。
中文摘要 AI 辅助
引力波（GW）天文学为双黑洞（BBH）并合提供了前所未有的洞察。然而，许多关键量仍无法直接观测。BBH并合率密度与并合效率以及双星形成与并合之间的延迟时间分布密切相关，这两者均不受观测直接约束。厘清它们对并合率的影响是一项极具挑战性的工作。在此，我们提出一个半参数BBH种群模型，该模型基于孤立形成和动力学形成的BBH的种群合成模拟，并锚定于观测驱动的、依赖金属丰度的恒星形成历史。我们对这两种形成通道的并合效率进行参数化，并在分层贝叶斯框架内将模型拟合至引力波瞬变目录5.0中的引力波事件。我们的分析表明，相对于标准种群合成结果，孤立BBH的并合效率应降低约一个数量级（$\mathcal{O}(10)$）。动力学通道需要比孤立通道高一个数量级以上的效率才能重现当前的引力波观测。尽管如此，我们发现这两个通道对观测事件数量的贡献相当。最后，我们引入孤立BBH延迟时间分布的参数化。我们推导出一个与观测到的局部并合率一致的分布，并展示了其与并合效率的简并性。
英文摘要
Gravitational wave (GW) astronomy offers unprecedented insights into binary black hole (BBH) coalescence. However, many of the key quantities involved remain inaccessible to direct observations. The BBH merger rate density is deeply linked to both the merger efficiency and the distribution of delay time between binary formation and merger, neither of which is directly constrained by observations. Disentangling their impact on the merger rate represents a highly non-trivial endeavour. Here we present a semi-parametric BBH population model, based on population synthesis simulations of both isolated and dynamically-formed BBHs, anchored on an observation-driven, metallicity-dependent star formation history. We parametrise the merger efficiency of these two formation channels, fitting the model to GW events from the Gravitational-Wave Transient Catalog 5.0 within a hierarchical Bayesian framework. Our analysis suggests that the isolated BBH merger efficiency should be lowered by a factor $\mathcal{O}(10)$ relative to standard population synthesis results. The dynamical channel requires an efficiency more than an order of magnitude larger than the isolated one to reproduce current GW observations. Nevertheless, we find that the two channels provide comparable contributions to the observed number of events. Finally, we introduce a parametrisation for the delay time distribution of the isolated BBHs. We derive a distribution consistent with the observed local merger rate and show its degeneracy with the merger efficiency.
