[論文レビュー] Black Hole X-ray Transients: The Formation Puzzle

Grzegorz Wiktorowicz, Krzysztof Belczyński+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2013

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 7被引用数 20

ひとこと要約

この論文は、5–15 M☉ のブラックホールと低質量供給星 (0.1–1 M☉) を有する銀河系ブラックホールX線準定常星 (BHXRTs) の形成の謎に焦点を当てる。広範なモデル化にもかかわらず、共通エンVELOープ排出、磁気ブレーキング、供給星温度の不一致といった未解決の問題が残っており、現在の進化モデルが不完全であるか、観測された人口が本質的に異なる本質的人口と異なる可能性を示唆している。

ABSTRACT

There are 19 confirmed BH binaries in the Galaxy. 16 of them are X-ray transients hosting a ~5-15 Msun BH and a Roche-lobe overflowing low-mass companion. Companion masses are found mostly in 0.1-1 Msun mass range with peak at 0.6 Msun. The formation of these systems is believed to involve a common envelope phase, initiated by a BH progenitor, expected to be a massive star >20 Msun. It was realized that it may be very problematic for a low-mass companion to eject a massive envelope of the black hole progenitor. It invoked suggestions that an intermediate-mass companion ejects the envelope, and then is shredded by the Roche-lobe overflow to its current low-mass. But this creates another issue; a temperature mismatch between hot models and the observed cool low-mass donors. Finally, the main driver of Roche-lobe overflow that is believed to be magnetic braking does not seem to follow any theoretically calculated models. Number of ideas were put forward to explain various parts of this conundrum; pre-main sequence donor nature, alternative approach to magnetic braking and common envelope energy was revisited. We test various proposals and models to show that no overall solution exists so far. We argue that common envelope physics is not crucial in the understanding BH transient physical properties, but may affect significantly their formation rates. Our failure most likely indicates that either the current evolutionary models for low-mass stars and magnetic braking are not realistic or that the intrinsic population of BH transients is quite different from the observed one.

研究の動機と目的

• 現在のモデルにおけるエネルギー的・力学的不一致にもかかわらず、ブラックホールX線準定常星 (BHXRTs) の形成に関する長年の謎を解明すること。
• 共通エンVELOープ進化が、低質量供給星を有する観測されたBHXRTsの人口を現実的に生成できるかどうかを評価すること。
• 軌道分離の最終的形状を規定する磁気ブレーキング、潮汐、重力波駆動の軌道減衰の妥当性を評価すること。
• 初期主系列星の供給星や修正された共通エンVELOープエネルギー予算といった代替モデルが、観測と理論を一致させられるかどうかを検証すること。
• 乖離が、現在の星間進化モデルや磁気ブレーキングの規定に欠陥があるか、観測されたBHXRT人口と本質的人口との根本的不一致を示唆しているかどうかを特定すること。

提案手法

• さまざまな形成シナリオの体系的テスト、特に異なる排出効率 (α) とエネルギー源を有する標準的共通エンVELOープ進化を含む。
• 軌道エネルギーとエンVELOープの解体に向けた最新の規定を用いた共通エンVELOープエネルギー予算の再評価、残留熱エネルギーと非断熱効果の寄与を含む。
• 進化モデルから予測された供給星温度とBHXRTsにおける観測された低温供給星温度の比較を通じて、一貫性の有無を検証する。
• 理論的モデルと観測的制約に基づく磁気ブレーキング規定の組み込み、必要な分離に至る軌道減衰を駆動できるかの評価。
• 質量星の二重星母体からロッシュ・ローブの溢出系に至るまでの全形成経路をシミュレートするための二重星進化コードの使用。
• 19例の確認済み銀河系BHXRTsからの観測的制約の分析、供給星質量、軌道周期、ブラックホール質量に注目し、モデルのテストを支援する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低質量同伴星がBHXRTの母体で質量の大きなエンVELOープを排出する場合、現実的なエネルギー予算を有する標準的共通エンVELOープ進化が、その排出を説明できるか。
• RQ2 理論的モデルが予測する供給星は熱いのに対し、観測では冷たい供給星が得られるのはなぜか。この温度の不一致は、代替の形成経路によって解消可能か。
• RQ3 磁気ブレーキングがBHXRT系における必要な軌道減衰をどの程度駆動できるか。理論的予測と整合的か。
• RQ4 BHXRTsの観測された性質（例：供給星質量、軌道周期）は、現在の二重星進化モデルの予測と整合的か。
• RQ5 一貫した形成モデルが存在しないことは、本質的BHXRT人口と観測人口との間で根本的な違いがあるか、あるいは現在の星間進化モデルが根本的に欠陥を有するかを示唆しているか。

主な発見

• 共通エンVELOープ排出のエネルギー的制約、観測された供給星温度、軌道減衰メカニズムのすべてを同時に満たす、銀河系BHXRTsの一貫した形成シナリオは存在しない。
• 質量の大きなエンVELOープを解体するためには、現実的でない高い共通エンVELOープ排出効率 (α ≈ 10–40) が必要であることが示唆され、標準的モデルは不十分である。
• 理論的予測（熱い供給星）と観測（冷たい供給星）との間で顕著な温度の不一致が存在し、標準的共通エンVELOープ進化後の進化の妥当性に疑問を呈する。
• 低質量二重星における軌道減衰の主因である磁気ブレーキングは、理論的モデルと一致せず、現在のシミュレーションで過大評価されたり、誤って記述されている可能性がある。
• 観測とモデルの一致不全は、現在の星間進化規定（特に低質量星と磁気ブレーキング）が不正確であるか、観測されたBHXRT人口が真の形成人口を代表していないことを示唆する。
• 共通エンVELOープ物理学がBHXRT形成の主要因でない可能性があり、代替メカニズム、あるいは進化経路の再考が求められる。