[論文レビュー] Constraints on mass ejection in black hole formation, derived from black hole X-ray binaries

G. Nelemans, Thomas M. Tauris+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 1999

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、コア収縮超新星爆発中の対称的質量噴出が、ニコールスX-1 やX線新星スクーピウス1994を含むブラックホールX線連星の観測空間速度を説明できることを提案している。これは、初期キックを必要としない。Cyg X-1とNova Scoの形成過程でそれぞれ少なくとも2.6 M⊙および4.1 M⊙の質量が噴出されなければならないと示され、一貫した質量噴出率f = 0.35が、低質量ブラックホール連星における低速度を説明できる。

ABSTRACT

Both the recently observed high runaway velocities of Cyg X-1 (~50 km/s) and X-ray Nova Sco 1994 (> ~100 km/s) and the relatively low radial velocities of the black hole X-ray binaries with low mass donor stars, can be explained by symmetric mass ejection in the supernovae (SNe) which formed the black holes in these systems. Assuming symmetric mass ejection in black hole formation, we estimate the amount of mass that must have been ejected in the stellar core collapse in order to explain the velocities of the above X-ray binaries. We find that at least 2.6 M_sun and 4.1 M_sun must have been ejected in the formation of Cyg X-1 and Nova Sco, respectively. A similar mass loss fraction (f = 0.35) for the black hole binaries with low mass donors, gives low velocities, in agreement with the observations. We conclude that the black holes in X-ray binaries are all consistent with being formed in a successful SN in which mass is ejected. A possible kick at the formation of the black hole is not needed to explain their space velocities.

研究の動機と目的

• ブラックホールX線連星の観測空間速度を説明すること、特にCyg X-1 やNova Sco 1994のような高速系を含む。
• コア収縮超新星爆発中の対称的質量噴出が、初期キックを必要とせずに測定された速度を説明できるかどうかを調査すること。
• これらの系におけるブラックホール形成に伴い噴出されなければならない最小質量を推定すること。
• 異なる質量の供給星を持つブラックホール連星系において、質量噴出モデルの整合性を検証すること。
• 低質量ブラックホール連星における観測された速度分散が、ブラックホール形成時の対称的質量損失と整合するかどうかを特定すること。

提案手法

• Cyg X-1 (~50 km/s) やNova Sco 1994 (>100 km/s) を含むブラックホールX線連星の空間速度を、観測的制約として分析する。
• コア収縮超新星爆発中の対称的質量噴出に起因する反動速度を、運動量保存則を用いてモデル化する。
• 観測された速度をもとに、各系で爆発時に噴出されなければならない最小質量を推定する。
• 低質量供給星を持つ連星から得られる質量噴出率（f）と照らし合わせ、その一貫性を検証する。
• 対称的質量噴出を仮定し、観測された系の速度を再現するために必要な噴出質量を導出する。
• 異なる系において導出された噴出率（f ≈ 0.35）の整合性を検証することで、モデルの頑健性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コア収縮超新星爆発中の対称的質量噴出が、Cyg X-1 やNova Sco 1994のようなブラックホールX線連星の高い空間速度を説明できるか？
• RQ2 Cyg X-1の観測空間速度（約50 km/s）を説明するため、その形成過程で噴出されなければならない最小質量はどれほどか？
• RQ3 Nova Sco 1994の高い速度を説明するため、その形成過程で噴出されなければならない最小質量はどれほどか？
• RQ4 低質量供給星を持つブラックホール連星では、低径方向速度を示すが、その場合の同じ質量噴出率が一貫しているか？
• RQ5 ブラックホールX線連星の空間速度を説明するために初期キックが必要か、それとも対称的質量噴出だけで十分か？

主な発見

• Cyg X-1の観測空間速度（約50 km/s）を説明するため、少なくとも2.6 M⊙の質量が噴出されなければならない。
• Nova Sco 1994の速度が約100 km/sを超えることを説明するため、少なくとも4.1 M⊙の質量が噴出されなければならない。
• すべての系で一貫した質量噴出率f = 0.35が、低質量供給星を持つブラックホール連星で観測される低径方向速度を説明できる。
• ブラックホールX線連星の観測された速度は、コア収縮超新星爆発中の対称的質量噴出と整合する。
• 結果から、これらの系の空間速度を説明するために初期キックは必要ないことが示唆される。
• 観測されたすべてのブラックホールX線連星は、対称的質量噴出を伴う成功した超新星爆発によって形成されたと整合的である。