[論文レビュー] Accretion Feedback from newly-formed black holes and its implications for LIGO Sources

Aldo Batta, E. Ramírez-Ruiz|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2019

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、巨大星の直接的星間崩壊過程における新生ブラックホール（BH）の降着フィードバックが、最終的な質量およびスピンに与える影響を調査する。回転するヘリウム星の前身星からのフィードバックが崩壊を停止させ、BHの質量およびスピンを低下させることを示している。主な結果として、フィードバックはLIGOで観測されたGW150914やGW151226のような低有効スピンを自然に説明でき、急速に回転するものよりも、ゆっくり回転するか潮汐同期している前身星を支持する。

ABSTRACT

Most common formation channels of stellar mass black hole (BH) binaries like the ones observed by LIGO, often assume they are assembled from the direct collapse of massive pre-supernova stars. However, it is still unclear whether the final mass and spin of the newly formed BH arises from the collapse of the entire stellar progenitor or just a fraction of it, given that coupling of accretion feedback released during BH formation to the surrounding infalling star will inevitably lead to its ejection. If the BH is built up via disk accretion, outflows from the center will result in residual gas ejection, thus halting the stellar collapse and reducing the amount of mass and spin that can be accreted by the newly formed BH. Here we discuss the general properties of BHs (mass and spin) associated with the collapse of rotating, helium star pre-supernova progenitors. When accretion feedback is included, the BH drives powerful outflows that heat the surrounding envelope, effectively shutting down the collapse. This gives rise to various outcomes ranging from very massive BHs with low spins, as inferred for GW150914, to lighter and faster-spinning BHs, as deduced for GW151226.

研究の動機と目的

• . 12.9～34.4 M⊙の範囲の回転するヘリウム星の前身星の直接的崩壊における降着フィードバックが、星質量ブラックホールの最終的質量およびスピンに与える影響を理解すること。
• . 角運動量および回転がヘリウム星の前身星におけるフィードバック効率とBH特性に与える影響を評価すること。
• . 失敗した超新星と円盤降着を含む形成モデルと観測されたLIGO二重BHパラメータ（質量およびスピン）を一致させること。
• . フィードバックが、LIGOイベントから推定されるような質量が大きく、急速に回転するBHの形成を防げるかどうかを評価すること。
• . LIGO源における観測可能なBH特性とフィードバック物理学を結びつけるフレームワークを提供すること。

提案手法

• . 12.9～34.4 M⊙の質量範囲を想定し、直接BHへの崩壊を模擬する回転するヘリウム星の前身星の崩壊をシミュレートする。
• . 円盤降着からのエネルギー放出を用いてフィードバックをモデル化し、エネルギーを包層に伝達するためのパrameterizedフィードバック効率（ϵ = 10⁻²）を用いる。
• . 一般相対性理論的磁気流体力学（GRMHD）のフィードバック結果を応用し、流出および加熱を推定し、崩壊を停止させる。
• . 潮汐同期化 timescale を用いて二重系における回転速度（ζ）を推定し、観測されたスピン制限と整合性を持つようにする。
• . 予測された有効スピン（χeff）およびチルプ質量（M）をLIGOの90%信用区間と比較し、形成チャネルを制約する。
• . フィードバック効果を古典的二重進化および化学的に均一な進化チャネルの両方に組み込み、BH特性に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 . 新たに形成されたBHからの降着フィードバックは、回転するヘリウム星の前身星の崩壊にどのように影響するか？
• RQ2 . 前身星内の角運動量は、フィードバック効率および結果として得られるBH質量およびスピンにどのような影響を与えるか？
• RQ3 . フィードバックは、GW150914 や GW151226 のようなLIGO二重BHイベントで観測された低有効スピンを説明できるか？
• RQ4 . 近接二重系における潮汐トルクは、最初に形成されたBHのスピンおよび二重系の有効スピンにどのように影響するか？
• RQ5 . 観測されたLIGOパラメータは、フィードバックを含めた場合、二重BHの形成チャネルにどのような制約を課すか？

主な発見

• . 円盤降着による降着フィードバックは、包層を加熱することで星の崩壊を停止させ、最終的なBH質量およびスピンを低下させることができる。
• . フィードバックプロセスは自然に低ス pin BH を生成し、GW150914 や GW170104 で観測された χeff ≲ 0.1 と整合する。
• . ζ ≲ 0.03（dτ）の潮汐同期化二重系は χeff < 0.4 を生じ、LIGO観測と一致し、古典的二重形成チャネルを支持する。
• . 最も質量の大きなLIGO BH（例：GW150914）は、急速な回転が強いフィードバックを引き起こし質量成長を制限するため、ゆっくり回転する前身星によって最もよく説明される。
• . 化学的に均一な進化チャネルでは、ζ > 0.2 の等質量前身星に対して有効スピン（χeff ≈ 0.6–0.8）が予測されるが、フィードバックによりこの値は低下し、観測とよりよく一致するようになる。
• . フィードバックは、質量が大きく、急速に回転するBHの形成を防ぎ、このような系は特定の前身星条件または代替チャネルから生じる必要があると示唆する。