论文标题

150 MSUN二进制黑洞合并GW190521的特性和天体物理含义

Properties and astrophysical implications of the 150 Msun binary black hole merger GW190521

论文作者

The LIGO Scientific Collaboration, the Virgo Collaboration, 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., Aich, A., Aiello, L., Ain, A., Ajith, P., Akcay, S., Allen, G., Allocca, A., Altin, P. A., Amato, A., Anand, S., Ananyeva, A., Anderson, S. B., Anderson, W. G., Angelova, S. V., Ansoldi, S., Antier, S., Appert, S., Arai, K., Araya, M. C., Areeda, J. S., Arène, M., Arnaud, N., Aronson, S. M., Arun, K. G., Asali, Y., Ascenzi, S., Ashton, G., Aston, S. M., Astone, P., Aubin, F., Aufmuth, P., AultONeal, K., Austin, C., Avendano, V., Babak, S., Bacon, P., Badaracco, F., Bader, M. K. M., Bae, S., Baer, A. M., Baird, J., Baldaccini, F., Ballardin, G., Ballmer, S. W., Bals, A., Balsamo, A., Baltus, G., Banagiri, S., Bankar, D., Bankar, R. S., Barayoga, J. C., Barbieri, C., Barish, B. C., Barker, D., Barkett, K., Barneo, P., Barone, F., Barr, B., Barsotti, L., Barsuglia, M., Barta, D., Bartlett, J., Bartos, I., Bassiri, R., Basti, A., Bawaj, M., Bayley, J. C., Bazzan, M., Bécsy, B., Bejger, M., Belahcene, I., Bell, A. S., Beniwal, D., Benjamin, M. G., Bentley, J. D., Bergamin, F., Berger, B. K., Bergmann, G., Bernuzzi, S., Berry, C. P. L., Bersanetti, D., Bertolini, A., Betzwieser, J., Bhandare, R., Bhandari, A. V., Bidler, J., Biggs, E., Bilenko, I. A., Billingsley, G., Birney, R., Birnholtz, O., Biscans, S., Bischi, M., Biscoveanu, S., Bisht, A., Bissenbayeva, G., Bitossi, M., Bizouard, M. A., Blackburn, J. K., Blackman, J., Blair, C. D., Blair, D. G., Blair, R. M., Bobba, F., Bode, N., Boer, M., Boetzel, Y., Bogaert, G., Bondu, F., Bonilla, E., Bonnand, R., Booker, P., Boom, B. A., Bork, R., Boschi, V., Bose, S., Bossilkov, V., Bosveld, J., Bouffanais, Y., Bozzi, A., Bradaschia, C., Brady, P. R., Bramley, A., Branchesi, M., Brau, J. E., Breschi, M., Briant, T., Briggs, J. H., Brighenti, F., Brillet, A., Brinkmann, M., Brockill, P., Brooks, A. F., Brooks, J., Brown, D. D., Brunett, S., Bruno, G., Bruntz, R., Buikema, A., Bulik, T., Bulten, H. J., Buonanno, A., Buskulic, R. Buscicchio D., Byer, R. L., Cabero, M., Cadonati, L., Cagnoli, G., Cahillane, C., Bustillo, J. Calderón, Callaghan, J. D., Callister, T. A., Calloni, E., Camp, J. B., Canepa, M., Cannon, K. C., Cao, H., Cao, J., Carapella, G., Carbognani, F., Caride, S., Carney, M. F., Carullo, G., Diaz, J. Casanueva, Casentini, C., Castañeda, J., Caudill, S., Cavaglià, M., Cavalier, F., Cavalieri, R., Cella, G., Cerdá-Durán, P., Cesarini, E., Chaibi, O., Chakravarti, K., Chan, C., Chan, M., Chandra, K., Chao, S., Charlton, P., Chase, E. A., Chassande-Mottin, E., Chatterjee, D., Chaturvedi, M., Chatziioannou, K., Chen, H. Y., Chen, X., Chen, Y., Cheng, H. -P., Cheong, C. K., Chia, H. Y., Chiadini, F., Chierici, R., Chincarini, A., Chiummo, A., Cho, G., Cho, H. S., Cho, M., Christensen, N., Chu, Q., Chua, S., Chung, K. W., Chung, S., Ciani, G., Ciecielag, P., Cie{ś}lar, M., Ciobanu, A. A., Ciolfi, R., Cipriano, F., Cirone, A., Clara, F., Clark, J. A., Clearwater, P., Clesse, S., Cleva, F., Coccia, E., Cohadon, P. -F., Cohen, D., Colleoni, M., Collette, C. G., Collins, C., Colpi, M., Constancio Jr., M., Conti, L., Cooper, S. J., Corban, P., Corbitt, T. R., Cordero-Carrión, I., Corezzi, S., Corley, K. R., Cornish, N., Corre, D., Corsi, A., Cortese, S., Costa, C. A., Cotesta, R., Coughlin, M. W., Coughlin, S. B., Coulon, J. -P., Countryman, S. T., Couvares, P., Covas, P. B., Coward, D. M., Cowart, M. J., Coyne, D. C., Coyne, R., Creighton, J. D. E., Creighton, T. D., Cripe, J., Croquette, M., Crowder, S. G., Cudell, J. -R., Cullen, T. J., Cumming, A., Cummings, R., Cunningham, L., Cuoco, E., Curylo, M., Canton, T. Dal, Dálya, G., Dana, A., Daneshgaran-Bajastani, L. M., D'Angelo, B., Danilishin, S. L., D'Antonio, S., Danzmann, K., Darsow-Fromm, C., Dasgupta, A., Datrier, L. E. H., Dattilo, V., Dave, I., Davier, M., Davies, G. S., Davis, D., Daw, E. J., DeBra, D., Deenadayalan, M., Degallaix, J., De Laurentis, M., Deléglise, S., Delfavero, M., De Lillo, N., Del Pozzo, W., DeMarchi, L. M., D'Emilio, V., Demos, N., Dent, T., De Pietri, R., De Rosa, R., De Rossi, C., DeSalvo, R., de Varona, O., Dhurandhar, S., Díaz, M. C., Diaz-Ortiz Jr., M., Dietrich, T., Di Fiore, L., Di Fronzo, C., Di Giorgio, C., Di Giovanni, F., Di Giovanni, M., Di Girolamo, T., Di Lieto, A., Ding, B., Di Pace, S., Di Palma, I., Di Renzo, F., Divakarla, A. K., Dmitriev, A., Doctor, Z., Donovan, F., Dooley, K. L., Doravari, S., Dorrington, I., Downes, T. P., Drago, M., Driggers, J. C., Du, Z., Ducoin, J. -G., Dupej, P., Durante, O., D'Urso, D., Dwyer, S. E., Easter, P. J., Eddolls, G., Edelman, B., Edo, T. B., Edy, O., Effler, A., Ehrens, P., Eichholz, J., Eikenberry, S. S., Eisenmann, M., Eisenstein, R. A., Ejlli, A., Errico, L., Essick, R. C., Estelles, H., Estevez, D., Etienne, Z. B., Etzel, T., Evans, M., Evans, T. M., Ewing, B. E., Fafone, V., Fairhurst, S., Fan, X., Farinon, S., Farr, B., Farr, W. M., Fauchon-Jones, E. J., Favata, M., Fays, M., Fazio, M., Feicht, J., Fejer, M. M., Feng, F., Fenyvesi, E., Ferguson, D. L., Fernandez-Galiana, A., Ferrante, I., Ferreira, E. C., Ferreira, T. A., Fidecaro, F., Fiori, I., Fiorucci, D., Fishbach, M., Fisher, R. P., Fittipaldi, R., Fitz-Axen, M., Fiumara, V., Flaminio, R., Floden, E., Flynn, E., Fong, H., Font, J. A., Forsyth, P. W. F., Fournier, J. -D., Frasca, S., Frasconi, F., Frei, Z., Freise, A., Frey, R., Frey, V., Fritschel, P., Frolov, V. V., Fronzè, G., Fulda, P., Fyffe, M., Gabbard, H. A., Gadre, B. U., Gaebel, S. M., Gair, J. R., Galaudage, S., Ganapathy, D., Ganguly, A., Gaonkar, S. G., García-Quirós, C., Garufi, F., Gateley, B., Gaudio, S., Gayathri, V., Gemme, G., Genin, E., Gennai, A., George, D., George, J., Gergely, L., Ghonge, S., Ghosh, Abhirup, Ghosh, Archisman, Ghosh, S., Giacomazzo, B., Giaime, J. A., Giardina, K. D., Gibson, D. R., Gier, C., Gill, K., Glanzer, J., Gniesmer, J., Godwin, P., Goetz, E., Goetz, R., Gohlke, N., Goncharov, B., González, G., Gopakumar, A., Gossan, S. E., Gosselin, M., Gouaty, R., Grace, B., Grado, A., Granata, M., Grant, A., Gras, S., Grassia, P., Gray, C., Gray, R., Greco, G., Green, A. C., Green, R., Gretarsson, E. M., Griggs, H. L., Grignani, G., Grimaldi, A., Grimm, S. J., Grote, H., Grunewald, S., Gruning, P., Guidi, G. M., Guimaraes, A. R., Guixé, G., Gulati, H. K., Guo, Y., Gupta, A., Gupta, Anchal, Gupta, P., Gustafson, E. K., Gustafson, R., Haegel, L., Halim, O., Hall, E. D., Hamilton, E. Z., Hammond, G., Haney, M., Hanke, M. M., Hanks, J., Hanna, C., Hannam, M. D., Hannuksela, O. A., Hansen, T. J., Hanson, J., Harder, T., Hardwick, T., Haris, K., Harms, J., Harry, G. M., Harry, I. W., Hasskew, R. K., Haster, C. -J., Haughian, K., Hayes, F. J., Healy, J., Heidmann, A., Heintze, M. C., Heinze, J., Heitmann, H., Hellman, F., Hello, P., Hemming, G., Hendry, M., Heng, I. S., Hennes, E., Hennig, J., Heurs, M., Hild, S., Hinderer, T., Hoback, S. Y., Hochheim, S., Hofgard, E., Hofman, D., Holgado, A. M., Holland, N. A., Holt, K., Holz, D. E., Hopkins, P., Horst, C., Hough, J., Howell, E. J., Hoy, C. G., Huang, Y., Hübner, M. T., Huerta, E. A., Huet, D., Hughey, B., Hui, V., Husa, S., Huttner, S. H., Huxford, R., Huynh-Dinh, T., Idzkowski, B., Iess, A., Inchauspe, H., Ingram, C., Intini, G., Isac, J. -M., Isi, M., Iyer, B. R., Jacqmin, T., Jadhav, S. J., Jadhav, S. P., James, A. L., Jani, K., Janthalur, N. N., Jaranowski, P., Jariwala, D., Jaume, R., Jenkins, A. C., Jiang, J., Johns, G. R., Johnson-McDaniel, N. K., Jones, A. W., Jones, D. I., Jones, J. 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G., Ross, M. P., Rowan, S., Rowlinson, S. J., Roy, P. K., Roy, Santosh, Roy, Soumen, Ruggi, P., Rutins, G., Ryan, K., Sachdev, S., Sadecki, T., Sakellariadou, M., Salafia, O. S., Salconi, L., Saleem, M., Salemi, F., Samajdar, A., Sanchez, E. J., Sanchez, L. E., Sanchis-Gual, N., Sanders, J. R., Santiago, K. A., Santos, E., Sarin, N., Sassolas, B., Sathyaprakash, B. S., Sauter, O., Savage, R. L., Savant, V., Sawant, D., Sayah, S., Schaetzl, D., Schale, P., Scheel, M., Scheuer, J., Schmidt, P., Schnabel, R., Schofield, R. M. S., Schönbeck, A., Schreiber, E., Schulte, B. W., Schutz, B. F., Schwarm, O., Schwartz, E., Scott, J., Scott, S. M., Seidel, E., Sellers, D., Sengupta, A. S., Sennett, N., Sentenac, D., Sequino, V., Sergeev, A., Setyawati, Y., Shaddock, D. A., Shaffer, T., Sharifi, S., Shahriar, M. S., Sharifi, S., Sharma, A., Sharma, P., Shawhan, P., Shen, H., Shikauchi, M., Shink, R., Shoemaker, D. H., Shoemaker, D. 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论文摘要

重力波信号GW190521与红移0.8的二进制黑洞合并源一致,零件质量异常高,$ 85^{+21} _ { - 14} \,m _ {\ odot} $ and $ 66^{+17}^{+17} _ {+17} _ { - 18} _ {$}显示自旋诱导的轨道进动的温和证据。 (脉冲)配对超新星理论预测的质量差距的主要差距落在大约$ 65-120 \,m _ {\ odot} $中。 GW190521中至少一个黑洞中至少一个在该范围内的概率为99.0%。合并$(142^{+28} _ { - 16} \,m _ {\ odot})$的最终质量将其分类为一个中间质量黑洞。在准圆形二进制黑洞结合的假设下,我们详细介绍了GW190521的源二元及其合并后残留物的物理特性,包括组件质量和自旋矢量。三种不同的波形模型以及与一般相对性的数值解的直接比较,对这些特性产生一致的估计。靶向合并合并阶段的强场一般相对性的测试表明,观察到的信号与理论预测的一致性。我们估计类似系统的合并速率为$ 0.13^{+0.30} _ { - 0.11} \,{\ rm gpc}^{ - 3} \,\ rm {yr}^{ - 1} $。我们讨论了GW190521对恒星崩溃的天体物理含义,以及通过各种通道对成对稳定的质量差距的黑洞可能形成:VIA(多个)恒星融合,或通过恒星簇中或活跃的银河系核中的下质量黑洞的层次合并。我们发现GW190521是低质量黑洞二进制合并的强烈镜头信号。我们还讨论了GW190521的更多异国情调的可能来源,包括高度偏心的黑洞二元或原始黑洞二进制。

The gravitational-wave signal GW190521 is consistent with a binary black hole merger source at redshift 0.8 with unusually high component masses, $85^{+21}_{-14}\,M_{\odot}$ and $66^{+17}_{-18}\,M_{\odot}$, compared to previously reported events, and shows mild evidence for spin-induced orbital precession. The primary falls in the mass gap predicted by (pulsational) pair-instability supernova theory, in the approximate range $65 - 120\,M_{\odot}$. The probability that at least one of the black holes in GW190521 is in that range is 99.0%. The final mass of the merger $(142^{+28}_{-16}\,M_{\odot})$ classifies it as an intermediate-mass black hole. Under the assumption of a quasi-circular binary black hole coalescence, we detail the physical properties of GW190521's source binary and its post-merger remnant, including component masses and spin vectors. Three different waveform models, as well as direct comparison to numerical solutions of general relativity, yield consistent estimates of these properties. Tests of strong-field general relativity targeting the merger-ringdown stages of coalescence indicate consistency of the observed signal with theoretical predictions. We estimate the merger rate of similar systems to be $0.13^{+0.30}_{-0.11}\,{\rm Gpc}^{-3}\,\rm{yr}^{-1}$. We discuss the astrophysical implications of GW190521 for stellar collapse, and for the possible formation of black holes in the pair-instability mass gap through various channels: via (multiple) stellar coalescence, or via hierarchical merger of lower-mass black holes in star clusters or in active galactic nuclei. We find it to be unlikely that GW190521 is a strongly lensed signal of a lower-mass black hole binary merger. We also discuss more exotic possible sources for GW190521, including a highly eccentric black hole binary, or a primordial black hole binary.

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