[論文レビュー] A Sample of Neutron Star and Black Hole Binaries Detected through Gaia DR3 Astrometry

Jeff J. Andrews, K. Taggart+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、Gaia DR3の位置運動から得られた24個の長周期連星系において、質量1.35–2.7 M☉の巨大で暗黒な伴星を特定した。これらは中性子星またはブラックホールを強く示唆している。低速の公軌道速度（≤20 km s⁻¹）は、一部の中性子星が低初期キックを伴って形成されることを示唆し、標準の中性子星形成キックモデルに挑戦する。

ABSTRACT

With its exquisite astrometric precision, the latest Gaia data release includes $\sim$$10^5$ astrometric binaries, each of which have measured orbital periods, eccentricities, and the Thiele-Innes orbital parameters. Using these and an estimate of the luminous stars' masses, we derive the companion stars' masses, from which we identify a sample of 24 binaries in long period orbits ($P_{ m orb}\sim{ m yrs}$) with a high probability of hosting a massive ($>$1.4 $M_{\odot}$), dark companion: a neutron star (NS) or black hole (BH). The luminous stars in these binaries tend to be F-, G-, and K-dwarfs with the notable exception of one hot subdwarf. Follow-up spectroscopy of eight of these stars shows no evidence for contamination by white dwarfs or other luminous stars. The dark companions in these binaries span a mass range of 1.35-2.7 $M_{\odot}$ and therefore likely includes both NSs and BHs without a significant mass gap in between. Furthermore, the masses of several of these objects are $\simeq$1.7 $M_{\odot}$, similar to the mass of at least one of the merging compact objects in GW190425. Given that these orbits are too wide for significant mass accretion to have occurred, this sample implies that some NSs are born heavy ($\gtrsim$1.5 $M_{\odot}$). Additionally, the low orbital velocities ($\lesssim$20 km s$^{-1}$) of these binaries requires that at least some heavy NSs receive low natal kicks, otherwise they would have been disrupted during core collapse. Although none will become gravitational wave sources within a Hubble time, these systems will be exceptionally useful for testing binary evolution theory.

研究の動機と目的

• Gaia DR3の位置運動データを用いて、広い軌道を回る中性子星およびブラックホール連星を同定すること。
• 軌道パラメータ解析を通じて、これらの系における暗黒伴星の質量を特定すること。
• 質量の大きな中性子星の初期キック速度を評価することで、連星進化モデルを検証すること。
• 追跡スペクトロスコピーを用いて白色矮星やその他の明るい伴星による汚染を除外すること。
• これらの系が将来の電磁波的・重力波的追跡観測に適しているかを評価すること。

提案手法

• Gaia DR3の位置運動解を用いて、10⁵個の位置運動連星の軌道パラメータ（周期、離心率、チール・インス要素）を測定した。
• スペクトル型から明るい星の質量を推定し、ケプラー軌道モデルを用いて伴星質量を導出した。
• 質量関数解析を適用して伴星質量を推定し、1.35–2.7 M☉の伴星を持つ系を同定した。
• 8つの系について追跡スペクトロスコピーを実施し、白色矮星や他の明るい成分による汚染がないかを除外した。
• 軌道速度を評価して初期キックの大きさを推定し、理論的予想と比較した。
• 統計的および天体物理学的整合性のチェックを用いて、中性子星またはブラックホールの存在を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Gaia DR3の位置運動で同定された広軌道連星系における暗黒伴星の質量分布はどのようなものか？
• RQ2 質量1.5 M☉以上の巨大中性子星は、これらの系の軌道速度が示唆するように、低初期キックを受けるのだろうか？
• RQ3 白色矮星や褐色矮星などの代替的伴星を除外できるか、観測された軌道パラメータはそれを示唆するか？
• RQ4 これらの系は、特にコンパクト天体形成に関して、標準的な連星進化モデルと整合性があるだろうか？
• RQ5 これらの系は、将来の電磁波的または重力波的検出に適しているだろうか？

主な発見

• 本研究では、24個の長周期連星系（P_orb ~ 年）が、質量1.35–2.7 M☉の暗黒伴星を有することを同定した。これらは中性子星またはブラックホールを強く示唆している。
• 軌道速度は≤20 km s⁻¹であり、通常の中性子星の初期キック速度（約265 km s⁻¹）と比べて顕著に低い。これは、質量の大きな中性子星が低初期キックを伴って形成されることを示唆している。
• 伴星の質量分布には、中性子星とブラックホールの間で顕著なギャップが認められず、重い中性子星の形成が可能である可能性を示唆している。
• 8つの系に対する追跡スペクトロスコピーでは、白色矮星やその他の明るい成分による汚染の兆候は認められなかった。
• これらの系は質量転送が顕著に起こらないほど広いため、伴星の高質量は蓄積されたものではなく、原始的であると示唆される。
• 結果から、少なくとも質量1.5 M☉以上の巨大中性子星は低初期キックを伴って形成されることが示唆され、標準的な超新星爆発モデルに挑戦するものである。