[論文レビュー] Common origin for black holes in both high mass X-ray binaries and gravitational-wave sources

Krzysztof Belczyński, Chris Done+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、LIGO/Virgo/KAGRA（LVK）の重力波イベントにおける低スピンブラックホール（BH）と、高質量X線連星（HMXB）における高スピン推定値の間の明らかな矛盾を解消する。その根拠として、HMXBの高スピン値が不適切なスペクトルモデリングに起因することを示している。X線円盤放射に対して温かいコンプトン化「スキン」モデルを用いることで、Cyg X-1、LMC X-1、M33 X-7のすべてが低ス pin（aBH ≈ 0.1）を示すことが明らかになった。これは、効率的な角運動量輸送を伴う星の進化モデルと整合的である。したがって、LVKとHMXBのBHは、同様の起源、すなわちこのような角運動量輸送を伴う大質量星から生まれた可能性が高い。

ABSTRACT

Black-hole (BH) high-mass X-ray binary (HMXB) systems are likely to be the progenitors of BH-BH mergers detected by LIGO/Virgo/KAGRA (LVK). Yet merging BHs reach higher masses ($\sim 100M_{\odot}$) than BHs in HMXBs ($\sim 20 M_{\odot}$) and exhibit lower spins ($a_{ m BH}\lesssim 0.25$ with a larger values tail) than what is often claimed for BHs in HMXBs ($a_{ m BH}\gtrsim 0.9$). This could suggest that these two classes of systems belong to different populations, but here we show that this may not necessarily be the case. The difference in masses is easily explained as the known HMXB-BHs are in galaxies with relatively high metallicity, so their progenitor stars are subject to strong mass loss from winds, leading to relatively low-mass BH at core collapse. Conversely, LVK is also able to detect BHs from low-metallicity galaxies that produce more massive stellar-origin BHs. The difference in spin is more difficult to explain. Models with efficient angular momentum transport in stellar interiors produce slowly spinning progenitors for both LVK and HMXB BHs. Known HMXBs have orbital periods that are too long for tidal spin-up and are unlikely to have undergone significant accretion spin-up. Instead, we show that the derived value of the BH spin depends strongly on how the HMXB accretion disc emission is modelled. We argue that since Cyg X-1 is never observed in a soft state, the appropriate spectral models must take into account the Comptonisation of the disc photosphere. We show that such models are consistent with low spin values, namely: $a_{ m BH}\sim 0.1$. This was confirmed by other teams for both Cyg X-1 and LMC X-1 and we show this is also the case for M33 X-7. We conclude that all HMXB BHs can exhibit low spins, in accordance with stellar evolution models. Hence, the observations are consistent with the LVK BHs and HMXB BHs belonging to the same population.

研究の動機と目的

• LVKの重力波イベントにおける低スピンブラックホールとHMXBにおける高スピン推定値の間の明らかな矛盾を解消すること。
• 観察されたスピン差が、HMXBスペクトルフィッティングにおけるモデリングの誤りに起因するのか、それとも本質的な集団的差異に起因するのかを調査すること。
• HMXBのX線円盤放射に向けた温かいコンプトン化「スキン」モデルが、HMXBにおける高スピン主張と星の進化モデルによる低スピン予測を一致させることをテストすること。
• LVKとHMXBの両方のブラックホールが、効率的な角運動量輸送を伴う同じ大質量星の集団から生まれることを示すこと。

提案手法

• Cyg X-1、LMC X-1、M33 X-7を含むHMXBのソフトX線スペクトル状態に、温かいコンプトン化「スキン」モデルを適用すること。
• 金属量の異なる環境下でのブラックホール形成を模擬するための集団合成モデルの使用により、風駆動質量損失に起因する質量差を示すこと。
• 効率的な角運動量輸送（Spruit 2002b; Fuller et al. 2019）を想定したモデルから予測されるBHスピンと、LVKおよびHMXBデータからの観測スピン分布を比較すること。
• 特にソフトスペクトル状態でない場合に、標準的なディスク連続スペクトルフィッティングではなく温かいスキンモデルを用いてHMXB BHスピン推定値を再評価すること。
• Chandraデータアーカイブおよびソースカタログからの制約を統合し、スペクトルフィッティング結果の妥当性を検証すること。
• 有効スピンパラメータ（χeff）と個々のBHスピン大きさ（aBH）の分析により、LVKとHMXBシステム間の整合性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LVKのブラックホールが低スピンであるのに対しHMXBが高スピンであるという乖離は、形成メカニズムの違いではなく、スペクトルモデリングの違いに起因するのだろうか？
• RQ2 HMXBのX線放射に向けた温かいコンプトン化「スキン」モデルは、標準的なディスクフィッティングモデルと比較して、より低く、より物理的に妥当なスピン推定値をもたらすのだろうか？
• RQ3 LVKとHMXBのブラックホールの間の観測された質量差は、主に前身星における金属量依存の質量損失に起因するのだろうか？
• RQ4 効率的な角運動量輸送を含む集団合成モデルは、LVKとHMXB両方の観測結果と整合するBHスピンを予測するのだろうか？
• RQ5 Cyg X-1、LMC X-1、M33 X-7のスピンは、物理的に妥当なスペクトルモデルを用いることで、低スピン予測と一致するのだろうか？

主な発見

• 温かいコンプトン化「スキン」モデルは、Cyg X-1に対してaBH ≈ 0.1のBHスピン推定値をもたらし、星の進化モデルによる低スピン予測と整合的である。
• M33 X-7の温かいスキンモデルによるスペクトルフィッティングではスピンが完全に制約されないが、モデル自体は物理的に妥当であり、低スピンと整合的である。
• 同じ温かいスキンモデルは、LMC X-1に対しても低スピン推定値をもたらし、複数のHMXBシステムにおける一貫性を確認した。
• LVKのBH（約10–100 M⊙）とHMXBのBH（約10–20 M⊙）の間の観測された質量差は、金属量に起因する：高金属量のHMXBでは風による質量損失が強く、低質量BHが形成される。
• 集団合成モデルは、効率的な角運動量輸送が自然に低スピンBH（aBH ∼ 0.1–0.2）を生むことを確認し、LVKの観測結果と一致し、正しいモデリングを施せばHMXBデータとも一致する。
• 本研究は、LVKとHMXBのブラックホールが、同様の効率的な角運動量輸送を伴う大質量星の集団から生まれたものであり、明らかなスピンの矛盾が解消されたと結論づける。