[論文レビュー] Constraining Black Hole Formation with 2M05215658+4359220

Katelyn Breivik, Sourav Chatterjee+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2018

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 6被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、二重星合成を用いて、80日周期の二重星2M05215658+4359220（予想されるブラックホールと巨大星を有する）が共通エンvelope段階を経験した必要があることを示している。ブラックホール質量が「急速な」超新星エンジンモデルと整合しないことが判明し、現在のブラックホール形成理論に挑戦しており、風降着モデルの検証および将来の重力波探査の鍵となることが示唆されている。

ABSTRACT

We show that the recently discovered binary 2M05215658+4359220, comprised of a giant star (GS) orbiting a suspected black hole (BH) in a ~80 day orbit, may be instrumental in shedding light on uncertain BH-formation physics and can be a test case for studying wind accretion models. Using binary population synthesis and a realistic prescription of the star formation history and metallicity evolution of the Milky Way, we analyze the formation histories of detached BH-GS binaries like 2M05215658+4359220, and find that all such systems with orbital periods less than 5 years went through a common envelope. Furthermore, the `rapid' and `delayed' supernova engine models produce very different BH mass distributions in BH-GS binaries, and one current mass estimate for the BH in 2M05215658+4359220 is inconsistent with the rapid model. An improved measurement of the orbit of 2M05215658+4359220, which we argue is imminent with the next Gaia data release, therefore has widespread implications including for SN engine models and for the types of binaries detectable by LIGO and LISA. Finally, we show that the reported X-ray non-detection is a challenge for wind accretion theory, making 2M05215658+4359220 a prime target for further study with accretion models.

研究の動機と目的

• 実際の銀河系の星形成および金属量の進化を用いて、2M05215658+4359220のような分離型ブラックホール-巨大星連星の形成経路を調査すること。
• 「急速」および「遅延」型の超新星エンジンモデルが、このような連星におけるブラックホール質量を予測する上で妥当であるかを検証すること。
• X線非検出が風降着理論に与える影響を評価すること。
• 将来のGaiaデータリリースによる軌道測定の向上が、ブラックホール形成モデルの制約および検出可能性に与える影響を評価すること。

提案手法

• 実際の銀河系の星形成歴および金属量の進化を用いた二重星合成を用いて、分離型BH-GS連星の形成をモデル化した。
• ブラックホール質量分布のシミュレーションのために、「急速」と「遅延」の2つの異なる超新星エンジンモデルを適用した。
• 5年未塔の軌道周期制約を用いて、このようなすべてのシステムが共通エンベロープ段階を経験した必要があると結論づけた。
• 2つの超新星モデルから予測される質量分布と観測されたブラックホール質量推定値との整合性を評価した。
• X線非検出が風降着モデルに与える影響を、降着効率の制約として扱い、評価した。
• 次回のGaiaデータリリースによる改善された軌道測定が、ブラックホール形成および検出可能性の制約を顕著に向上させると予想した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5年未塔の軌道周期を持つ分離型ブラックホール-巨大星連星の形成経路は何か？
• RQ2 「急速」と「遅延」型の超新星エンジンモデルは、このような連星におけるブラックホール質量分布をどのように異なる予測をするか？
• RQ3 2M05215658+4359220における観測されたブラックホール質量は、「急速」型超新星エンジンモデルの予測と整合するか？
• RQ4 2M05215658+4359220のX線非検出は、現在の風降着モデルにどのような挑戦をもたらすか？
• RQ5 Gaiaによる改善された軌道測定は、LIGOおよびLISAが同様のシステムを検出する可能性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 5年未塔の軌道周期を持つすべての分離型ブラックホール-巨大星連星は、共通エンベロープ段階を経験した必要がある。
• 「急速」型超新星エンジンモデルは、2M05215658+4359220のブラックホール質量推定値と整合しないブラックホール質量分布を生成する。
• 2M05215658+4359220のX線非検出は、風降着理論に顕著な挑戦をもたらし、降着効率が低いことを示唆する。
• 低X線放射度と良好に制約された軌道パラメータを持つことから、このシステムは風降着モデルの検証に最適な候補である。
• 次回のGaiaデータリリースによる改善された軌道測定は、ブラックホール形成モデルおよびLIGO/LISAにおける検出可能性の制約を顕著に高める見込みである。
• このシステムの性質は、ブラックホール形成および連星進化の物理的メカニズムを理解するための重要なテストケースである。