발광 적색 신성(LRNe)은 쌍성계의 공통 외피층(CE) 방출과 관련이 있는 것으로 알려져 있습니다. CE 방출은 항성 궤도를 긴밀하게 만들어 허블 시간 내에 병합하는 밀집쌍성(CB)을 형성할 수 있습니다. LIGO, Virgo, KAGRA(LVK)와 같은 중력파(GW) 검출기가 이러한 병합을 관측함에 따라, LVK의 CB 병합률이 허블 시간 내에 병합하는 CB를 형성하는 LRNe의 비율에 대해 무엇을 알려주는지 탐구했습니다.
본 연구에서는 Zwicky Transient Facility에서 관측된 LRNe의 부피율과 LVK 관측에서 얻은 밀집쌍성 병합의 부피율을 활용하여, 허블 시간 내에 병합하는 CB를 생성하는 LRNe의 비율에 대한 한계를 도출했습니다. LRNe 발생률이 적색편이에 따른 항성 형성률을 밀접하게 따른다고 가정하고, CB의 지연 시간 분포 모델을 사용하여 밀집쌍성 병합률을 계산했습니다.
이 병합률을 LVK의 최신 GW Transient Catalog(GWTC-4)에서 얻은 밀집쌍성 병합의 부피율과 비교하여, LRNe 중 GW로 관측되는 쌍성 중성자별 및 중성자별-블랙홀 병합으로 이어지는 비율이 약 10^-3(중앙값)에 불과함을 발견했습니다.
이는 LRNe 개체군의 대다수가 밀집 객체 병합이 아닌 항성 병합과 같은 다른 최종 산물로 이어질 수 있음을 시사합니다. 본 연구 결과는 LRNe와 밀집쌍성 병합 간의 연결고리를 이해하는 데 중요한 기여를 하며, 향후 중력파 천문학 연구에 대한 새로운 방향을 제시합니다.
이 연구는 중력파 천문학의 최신 성과를 바탕으로 쌍성 중성자별, 중성자별-블랙홀 쌍성, 그리고 쌍성 블랙홀의 합병 개체군 특성을 상세히 분석했습니다. 누적 중력파 천이 목록 4.0(GWTC-4.0)에 포함된 158개 이벤트를 활용하여 이들 밀집쌍성계의 질량 분포, 스핀 정렬, 그리고 합병률에 대한 포괄적인 이해를 목표로 했습니다.
블랙홀 주성 질량 분포는 35 M⊙ 이상에서 가파르게 감소하는 멱법칙 형태를 보이며, 10 M⊙와 35 M⊙에서 과밀집 현상이 관찰되었습니다. 특히 10 M⊙ 근처의 주성 질량을 가진 쌍성 블랙홀은 질량비 q=0.71로 덜 무거운 동반자를 가질 가능성이 높았는데, 이는 안정적인 질량 이동의 흔적일 수 있습니다. 블랙홀 스핀은 대부분 비극단적이며(90%가 χ < 0.6), 쌍성 궤도와 정렬되는 경향을 보여 고립된 환경에서의 형성 가능성을 시사합니다.
그러나 상당수의 쌍성(0.23–0.41)이 음의 유효 나선형 스핀을 가져 가스 없는 환경에서의 동역학적 형성 가능성도 제기됩니다. 유효 나선형 스핀과 질량비 간의 상관관계도 확인되었으며, 이는 분포 모드 또는 폭의 변화에 기인할 수 있습니다. 쌍성 블랙홀 합병률은 적색편이에 따라 증가하여 우주적 별 형성 밀도와 일치합니다.
질량 스펙트럼은 적색편이에 따른 진화 증거가 없었으나, 유효 나선형 스핀 분포는 z ≈ 1까지 적색편이가 증가함에 따라 넓어지는 경향을 보였습니다. z=0에서의 국소적 합병률은 쌍성 중성자별의 경우 8.8–250 Gpc−3 yr−1, 중성자별-블랙홀 쌍성의 경우 9.3–86 Gpc−3 yr−1, 쌍성 블랙홀의 경우 13–26 Gpc−3 yr−1로 추정되었습니다. 이 결과들은 밀집쌍성계의 형성 및 진화 메커니즘을 이해하는 데 중요한 기여를 합니다.
