[論文レビュー] Black hole - neutron star mergers: The first mass gap and kilonovae

Paweł Drozda, Krzysztof Belczyński+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2020

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 9被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、人口合成モデルを用いてブラックホール-中性子星（BH-NS）合体の第一質量ギャップ（2–5 M☉）とキリノバ発光を調査する。その結果、8メートル望遠鏡で検出可能な質量を噴出するBH-NS合体はわずか約1%にとどまり、遅延型超新星エンジンを仮定した場合、少なくとも1つのコンパクトな物体が第一質量ギャップに存在する確率は約30%であることが判明し、質量ギャップの存在がコアコラプス物理学に関連していることが示唆された。

ABSTRACT

Observations of X-ray binaries indicate a dearth of compact objects in the mass range from $\sim 2-5 M_{\odot}$. The existence of this (first mass) gap has been used to discriminate between proposed engines behind core-collapse supernovae. From LIGO/Virgo observations of binary compact remnant masses, several candidate first mass gap objects (either neutron stars (NSs) or black holes (BHs)) were identified during the O3 science run. Motivated by these new observations, we study the formation of BH-NS mergers in the framework of isolated classical binary evolution, using population synthesis methods to evolve large populations of binary stars (Population I and II) across cosmic time. We present results on the NS to BH mass ratios ($q=M_{ m NS}/M_{ m BH}$) in merging systems, showing that although systems with a mass ratio as low as $q=0.02$ can exist, typically BH-NS systems form with moderate mass ratios $q=0.1-0.2$. If we adopt a delayed supernova engine, we conclude that $\sim 30\%$ of BH-NS mergers may host at least one compact object in the first mass gap (FMG$^\circ$). Even allowing for uncertainties in the processes behind compact object formation, we expect the fraction of BH-NS systems ejecting mass during the merger to be small (from $\sim 0.6-9\%$). In our reference model, we assume: (i) the formation of compact objects within the FMG, (ii) natal NS/BH kicks decreased by fallback, (iii) low BH spins due to Tayler-Spruit angular momentum transport in massive stars. We find that $\lesssim 1\%$ of BH-NS mergers will have any mass ejection and about the same percentage will produce kilonova bright enough to have a chance of being detected with a large (Subaru-class) $8$m telescope. Interestingly, all these mergers will have both a BH and an NS in the FMG.

研究の動機と目的

• コンパクトな物体形成物理学における不確実性を考慮して、BH-NS合体のうち質量を噴出し、検出可能なキリノバを生成する割合を特定すること。
• 異なる超新星エンジンモデルを仮定した場合、BH-NSシステム内での第一質量ギャップ（2–5 M☉）に存在するコンパクトな物体の可能性を評価すること。
• 極端な質量比と質量ギャップ物体を有するBH-NSシステムを形成する孤立二重星進化の役割を評価すること。
• LIGO/Virgo O3データから観測された質量ギャップ候補を用いて、コアコラプス超新星の性質を制約すること。
• 今後のBH-NS合体集団およびその電磁的対応体の研究のための公開可能なモデルセットを提供すること。

提案手法

• 宇宙時間にわたる恒星の人口Iおよび人口IIの孤立二重星進化の人口合成シミュレーション。
• ナタルキック、再吸収、角運動量輸送（例：Tayler-Spruit）の仮定を変化させたコンパクトな物体形成のモデリング。
• 中性子星にM熟悉1状態方程式を用い、検出可能閾値を設定した現実的なキリノバの明るさモデリング。
• 質量噴出および検出可能性に関する不確実性を評価するため、複数のモデル（M280、M283など）における感度分析。
• LIGO/Virgo O3観測結果、特に質量ギャップ候補と照らし合わせた予測合体率と質量比の比較。
• BHスピン効果の組み込み。これは質量噴出およびキリノバの明るさに強く影響する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 8メートル望遠鏡で検出可能なキリノバを生成するのに十分な質量を噴出し、BH-NS合体がどの程度の割合で発生するか？
• RQ2 遅延型超新星エンジンのシナリオが、BH-NSシステム内での第一質量ギャップ（2–5 M☉）にコンパクトな物体を形成する可能性にどのように影響するか？
• RQ3 合体するBH-NSシステムにおける典型的な質量比（q = M_NS / M_BH）は何か？ また、q = 0.02のような極端な比はどれほど一般的か？
• RQ4 ナタルキック、再吸収、BHスピンに関する不確実性が、キリノバを生成する合体の予測頻度にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ5 BH-NS合体の電磁的対応体は、大質量星における角運動量輸送のメカニズムを区別する手がかりとなるだろうか？

主な発見

• 基準モデル下では、8メートル望遠鏡（Subaruクラス）で検出可能なキリノバを生成するのに十分な質量を噴出し、BH-NS合体のうちわずか約1%にとどまる。
• 不確実な入力物理に依存して、質量を噴出し、キリノバを生成する合体の割合は0.6%から9%の範囲に変動するが、基準モデルでは1%以下である。
• 遅延型超新星エンジンのシナリオを仮定した場合、約30%のBH-NS合体が第一質量ギャップ（2–5 M☉）に少なくとも1つのコンパクトな物体を有する。
• q = 0.02程度の低い質量比のシステムは形成可能であるが、典型的なBH-NS合体はq = 0.1–0.2の中程度の質量比を示す。
• 基準モデル下でキリノバを生成する合体のすべてにおいて、第一質量ギャップ内にブラックホールおよび中性子星の両方が存在しており、質量ギャップの物体と検出可能な電磁的放射の間には強い関連があると示唆される。
• 今後のBH-NS合体からの電磁的放射（キリノバ）の検出（または非検出）は、大質量星における角運動量輸送のメカニズムを区別する手がかりとなるだろう。