Hierarchical black hole mergers in young, globular and nuclear star clusters: the effect of metallicity, spin and cluster properties

被引:106
作者
Mapelli, Michela [1 ,2 ,3 ]
Dall'Amico, Marco [1 ,2 ]
Bouffanais, Yann [1 ,2 ]
Giacobbo, Nicola [1 ,2 ,3 ,4 ]
Sedda, Manuel Arca [5 ]
Artale, M. Celeste [6 ]
Ballone, Alessandro [1 ,2 ,3 ]
Di Carlo, Ugo N. [1 ,2 ]
Iorio, Giuliano [1 ,2 ,3 ]
Santoliquido, Filippo [1 ,2 ]
Torniamenti, Stefano [1 ,2 ,3 ]
机构
[1] Univ Padua, Phys & Astron Dept Galileo Galilei, Vicolo Osservatorio 3, I-35122 Padua, Italy
[2] INFN Padova, Via Marzolo 8, I-35131 Padua, Italy
[3] INAF Osservatorio Astron Padova, Vicolo Osservatorio 5, I-35122 Padua, Italy
[4] Univ Birmingham, Sch Phys & Astron, Inst Gravitat Wave Astron, Birmingham B15 2TT, W Midlands, England
[5] Heidelberg Univ, Astron Rech Inst, Zentrum Astron, Monchofstr 12-14, D-69117 Heidelberg, Germany
[6] Univ Innsbruck, Inst Astro & Teilchenphys, Technikerstr 25-8, A-6020 Innsbruck, Austria
基金
欧洲研究理事会; 美国国家科学基金会;
关键词
black hole physics; gravitational waves; stars: black holes; stars: kinematics and dynamics; galaxies: star clusters: general; PAIR-INSTABILITY SUPERNOVAE; GRAVITATIONAL-WAVE SOURCES; BINARY COMPACT OBJECTS; NEARBY DWARF GALAXIES; OPEN STELLAR CLUSTERS; DYNAMICAL EVOLUTION; ASTROPHYSICAL IMPLICATIONS; POPULATION SYNTHESIS; NEUTRON-STARS; AGN DISCS;
D O I
10.1093/mnras/stab1334
中图分类号
P1 [天文学];
学科分类号
0704 ;
摘要
We explore hierarchical black hole (BH) mergers in nuclear star clusters (NSCs), globular clusters (GCs) and young star clusters (YSCs), accounting for both original and dynamically assembled binary BHs (BBHs). We find that the median mass of both first- and nth-generation dynamical mergers is larger in GCs and YSCs with respect to NSCs because the lighter BHs are ejected by supernova kicks from the lower mass clusters. Also, first- and nth-generation BH masses are strongly affected by the metallicity of the progenitor stars: the median mass of the primary BH of a nth-generation merger is similar to 24-38 M-circle dot (similar to 9-15 M-circle dot) in metal-poor (metal-rich) NSCs. The maximum BH mass mainly depends on the escape velocity: BHs with mass up to several thousand M-circle dot form in NSCs, while YSCs and GCs host BHs with mass up to several hundred M-circle dot. Furthermore, we calculate the fraction of mergers with at least one component in the pair-instability mass gap (f(PI)) and in the intermediate-mass BH regime (f(IMBH)). In the fiducial model for dynamical BBHs with metallicity Z = 0.002, we find f(PI) approximate to 0.05, 0.02 and 0.007 (f(IMBH) approximate to 0.01, 0.002 and 0.001) in NSCs, GCs and YSCs, respectively. Both f(PI) and f(IMBH) drop by at least one order of magnitude at solar metallicity. Finally, we investigate the formation of GW190521 by assuming that it is either a nearly equal-mass BBH or an intermediate-mass ratio inspiral.
引用
收藏
页码:339 / 358
页数:20
相关论文
共 197 条
[1]   Advanced LIGO [J].
Aasi, J. ;
Abbott, B. P. ;
Abbott, R. ;
Abbott, T. ;
Abernathy, M. R. ;
Ackley, K. ;
Adams, C. ;
Adams, T. ;
Addesso, P. ;
Adhikari, R. X. ;
Adya, V. ;
Affeldt, C. ;
Aggarwal, N. ;
Aguiar, O. D. ;
Ain, A. ;
Ajith, P. ;
Alemic, A. ;
Allen, B. ;
Amariutei, D. ;
Anderson, S. B. ;
Anderson, W. G. ;
Arai, K. ;
Araya, M. C. ;
Arceneaux, C. ;
Areeda, J. S. ;
Ashton, G. ;
Ast, S. ;
Aston, S. M. ;
Aufmuth, P. ;
Aulbert, C. ;
Aylott, B. E. ;
Babak, S. ;
Baker, P. T. ;
Ballmer, S. W. ;
Barayoga, J. C. ;
Barbet, M. ;
Barclay, S. ;
Barish, B. C. ;
Barker, D. ;
Barr, B. ;
Barsotti, L. ;
Bartlett, J. ;
Barton, M. A. ;
Bartos, I. ;
Bassiri, R. ;
Batch, J. C. ;
Baune, C. ;
Behnke, B. ;
Bell, A. S. ;
Bell, C. .
CLASSICAL AND QUANTUM GRAVITY, 2015, 32 (07)
[2]   GW190521: A Binary Black Hole Merger with a Total Mass of 150 M⊙ [J].
Abbott, B. P. ;
Abbott, R. ;
Abbott, T. D. ;
Abraham, S. ;
Acernese, F. ;
Ackley, K. ;
Adams, C. ;
Adhikari, R. X. ;
Adya, V. B. ;
Affeldt, C. ;
Agathos, M. ;
Agatsuma, K. ;
Aggarwal, N. ;
Aguiar, O. D. ;
Aiello, L. ;
Ain, A. ;
Ajith, P. ;
Allen, G. ;
Allocca, A. ;
Aloy, M. A. ;
Altin, P. A. ;
Amato, A. ;
Anand, S. ;
Ananyeva, A. ;
Anderson, S. B. ;
Anderson, W. G. ;
Angelova, S. V. ;
Antier, S. ;
Appert, S. ;
Arai, K. ;
Araya, M. C. ;
Areeda, J. S. ;
Arene, M. ;
Arnaud, N. ;
Aronson, S. M. ;
Ascenzi, S. ;
Ashton, G. ;
Aston, S. M. ;
Astone, P. ;
Aubin, F. ;
Aufmuth, P. ;
AultONeal, K. ;
Austin, C. ;
Avendano, V. ;
Avila-Alvarez, A. ;
Babak, S. ;
Bacon, P. ;
Badaracco, F. ;
Bader, M. K. M. ;
Bae, S. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2020, 125 (10)
[3]   Properties and Astrophysical Implications of the 150 M Binary Black Hole Merger GW190521 [J].
Abbott, B. P. ;
Abbott, R. ;
Abbott, T. D. ;
Abraham, S. ;
Acernese, F. ;
Ackley, K. ;
Adams, C. ;
Adhikari, R. X. ;
Adya, V. B. ;
Affeldt, C. ;
Agathos, M. ;
Agatsuma, K. ;
Aggarwal, N. ;
Aguiar, O. D. ;
Aiello, L. ;
Ain, A. ;
Ajith, P. ;
Allen, G. ;
Allocca, A. ;
Aloy, M. A. ;
Altin, P. A. ;
Amato, A. ;
Anand, S. ;
Ananyeva, A. ;
Anderson, S. B. ;
Anderson, W. G. ;
Angelova, S. V. ;
Antier, S. ;
Appert, S. ;
Arai, K. ;
Araya, M. C. ;
Areeda, J. S. ;
Arene, M. ;
Arnaud, N. ;
Aronson, S. M. ;
Ascenzi, S. ;
Ashton, G. ;
Aston, S. M. ;
Astone, P. ;
Aubin, F. ;
Aufmuth, P. ;
AultONeal, K. ;
Austin, C. ;
Avendano, V. ;
Avila-Alvarez, A. ;
Babak, S. ;
Bacon, P. ;
Badaracco, F. ;
Bader, M. K. M. ;
Bae, S. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS, 2020, 900 (01)
[4]   GW190425: Observation of a Compact Binary Coalescence with Total Mass ∼3.4 M⊙ [J].
Abbott, B. P. ;
Abbott, R. ;
Abbott, T. D. ;
Abraham, S. ;
Acernese, F. ;
Ackley, K. ;
Adams, C. ;
Adhikari, R. X. ;
Adya, V. B. ;
Affeldt, C. ;
Agathos, M. ;
Agatsuma, K. ;
Aggarwal, N. ;
Aguiar, O. D. ;
Aiello, L. ;
Ain, A. ;
Ajith, P. ;
Allen, G. ;
Allocca, A. ;
Aloy, M. A. ;
Altin, P. A. ;
Amato, A. ;
Anand, S. ;
Ananyeva, A. ;
Anderson, S. B. ;
Anderson, W. G. ;
Angelova, S. V. ;
Antier, S. ;
Appert, S. ;
Arai, K. ;
Araya, M. C. ;
Areeda, J. S. ;
Arene, M. ;
Arnaud, N. ;
Aronson, S. M. ;
Arun, K. G. ;
Ascenzi, S. ;
Ashton, G. ;
Aston, S. M. ;
Astone, P. ;
Aubin, F. ;
Aufmuth, P. ;
AultONeal, K. ;
Austin, C. ;
Avendano, V. ;
Avila-Alvarez, A. ;
Babak, S. ;
Bacon, P. ;
Badaracco, F. ;
Bader, M. K. M. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS, 2020, 892 (01)
[5]   GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral [J].
Abbott, B. P. ;
Abbott, R. ;
Abbott, T. D. ;
Acernese, F. ;
Ackley, K. ;
Adams, C. ;
Adams, T. ;
Addesso, P. ;
Adhikari, R. X. ;
Adya, V. B. ;
Affeldt, C. ;
Afrough, M. ;
Agarwal, B. ;
Agathos, M. ;
Agatsuma, K. ;
Aggarwal, N. ;
Aguiar, O. D. ;
Aiello, L. ;
Ain, A. ;
Ajith, P. ;
Allen, B. ;
Allen, G. ;
Allocca, A. ;
Altin, P. A. ;
Amato, A. ;
Ananyeva, A. ;
Anderson, S. B. ;
Anderson, W. G. ;
Angelova, S. V. ;
Antier, S. ;
Appert, S. ;
Arai, K. ;
Araya, M. C. ;
Areeda, J. S. ;
Arnaud, N. ;
Arun, K. G. ;
Ascenzi, S. ;
Ashton, G. ;
Ast, M. ;
Aston, S. M. ;
Astone, P. ;
Atallah, D. V. ;
Aufmuth, P. ;
Aulbert, C. ;
AultONeal, K. ;
Austin, C. ;
Avila-Alvarez, A. ;
Babak, S. ;
Bacon, P. ;
Bader, M. K. M. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2017, 119 (16)
[6]   Binary Black Hole Population Properties Inferred from the First and Second Observing Runs of Advanced LIGO and Advanced Virgo [J].
Abbott, B. P. ;
Abbott, R. ;
Abbott, T. D. ;
Abraham, S. ;
Acernese, F. ;
Ackley, K. ;
Adams, C. ;
Adhikari, R. X. ;
Adya, V. B. ;
Affeldt, C. ;
Agathos, M. ;
Agatsuma, K. ;
Aggarwal, N. ;
Aguiar, O. D. ;
Aiello, L. ;
Ain, A. ;
Ajith, P. ;
Allen, G. ;
Allocca, A. ;
Aloy, M. A. ;
Altin, P. A. ;
Amato, A. ;
Ananyeva, A. ;
Anderson, S. B. ;
Anderson, W. G. ;
Angelova, S. V. ;
Antier, S. ;
Appert, S. ;
Arai, K. ;
Araya, M. C. ;
Areeda, J. S. ;
Arene, M. ;
Arnaud, N. ;
Arun, K. G. ;
Ascenzi, S. ;
Ashton, G. ;
Aston, S. M. ;
Astone, P. ;
Aubin, F. ;
Aufmuth, P. ;
AultONeal, K. ;
Austin, C. ;
Avendano, V. ;
Avila-Alvarez, A. ;
Babak, S. ;
Bacon, P. ;
Badaracco, F. ;
Bader, M. K. M. ;
Bae, S. ;
Baker, P. T. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS, 2019, 882 (02)
[7]   GWTC-1: A Gravitational-Wave Transient Catalog of Compact Binary Mergers Observed by LIGO and Virgo during the First and Second Observing Runs [J].
Abbott, B. P. ;
Abbott, R. ;
Abbott, T. D. ;
Abraham, S. ;
Acernese, F. ;
Ackley, K. ;
Adams, C. ;
Adhikari, R. X. ;
Adya, V. B. ;
Affeldt, C. ;
Agathos, M. ;
Agatsuma, K. ;
Aggarwal, N. ;
Aguiar, O. D. ;
Aiello, L. ;
Ain, A. ;
Ajith, P. ;
Allen, G. ;
Allocca, A. ;
Aloy, M. A. ;
Altin, P. A. ;
Amato, A. ;
Ananyeva, A. ;
Anderson, S. B. ;
Anderson, W. G. ;
Angelova, S., V ;
Antier, S. ;
Appert, S. ;
Arai, K. ;
Araya, M. C. ;
Areeda, J. S. ;
Arene, M. ;
Arnaud, N. ;
Arun, K. G. ;
Ascenzi, S. ;
Ashton, G. ;
Aston, S. M. ;
Astone, P. ;
Aubin, F. ;
Aufmuth, P. ;
AultONeal, K. ;
Austin, C. ;
Avendano, V ;
Avila-Alvarez, A. ;
Babak, S. ;
Bacon, P. ;
Badaracco, F. ;
Bader, M. K. M. ;
Bae, S. ;
Baker, P. T. .
PHYSICAL REVIEW X, 2019, 9 (03)
[8]   Binary Black Hole Mergers in the First Advanced LIGO Observing Run [J].
Abbott, B. P. ;
Abbott, R. ;
Abbott, T. D. ;
Abernathy, M. R. ;
Acernese, F. ;
Ackley, K. ;
Adams, C. ;
Adams, T. ;
Addesso, P. ;
Adhikari, R. X. ;
Adya, V. B. ;
Affeldt, C. ;
Agathos, M. ;
Agatsuma, K. ;
Aggarwal, N. ;
Aguiar, O. D. ;
Aiello, L. ;
Ain, A. ;
Ajith, P. ;
Allen, B. ;
Allocca, A. ;
Altin, P. A. ;
Anderson, S. B. ;
Anderson, W. G. ;
Arai, K. ;
Araya, M. C. ;
Arceneaux, C. C. ;
Areeda, J. S. ;
Arnaud, N. ;
Arun, K. G. ;
Ascenzi, S. ;
Ashton, G. ;
Ast, M. ;
Aston, S. M. ;
Astone, P. ;
Aufmuth, P. ;
Aulbert, C. ;
Babak, S. ;
Bacon, P. ;
Bader, M. K. M. ;
Baker, P. T. ;
Baldaccini, F. ;
Ballardin, G. ;
Ballmer, S. W. ;
Barayoga, J. C. ;
Barclay, S. E. ;
Barish, B. C. ;
Barker, D. ;
Barone, F. ;
Barr, B. .
PHYSICAL REVIEW X, 2016, 6 (04)
[9]   ASTROPHYSICAL IMPLICATIONS OF THE BINARY BLACK HOLE MERGER GW150914 [J].
Abbott, B. P. ;
Abbott, R. ;
Abbott, T. D. ;
Abernathy, M. R. ;
Acernese, F. ;
Ackley, K. ;
Adams, C. ;
Adams, T. ;
Addesso, P. ;
Adhikari, R. X. ;
Adya, V. B. ;
Affeldt, C. ;
Agathos, M. ;
Agatsuma, K. ;
Aggarwal, N. ;
Aguiar, O. D. ;
Aiello, L. ;
Ain, A. ;
Ajith, P. ;
Allen, B. ;
Allocca, A. ;
Altin, P. A. ;
Anderson, S. B. ;
Anderson, W. G. ;
Arai, K. ;
Araya, M. C. ;
Arceneaux, C. C. ;
Areeda, J. S. ;
Arnaud, N. ;
Arun, K. G. ;
Ascenzi, S. ;
Ashton, G. ;
Ast, M. ;
Aston, S. M. ;
Astone, P. ;
Aufmuth, P. ;
Aulbert, C. ;
Babak, S. ;
Bacon, P. ;
Bader, M. K. M. ;
Baker, P. T. ;
Baldaccini, F. ;
Ballardin, G. ;
Ballmer, S. W. ;
Barayoga, J. C. ;
Barclay, S. E. ;
Barish, B. C. ;
Barker, D. ;
Barone, F. ;
Barr, B. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS, 2016, 818 (02)
[10]  
Abbott B. P., Phys. Rev. Lett., V116