[論文レビュー] Detecting Stripped Stars While Searching for Quiescent Black Holes

J. Bodensteiner, M. Heida+14 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、一部の静止状態のブラックホール候補が実際には、二重星の同伴によって外層が剥がれたスターリング星（ストリップドスターリング）であることを特定し、ブラックホール探索における誤検出を引き起こしている。高分解能分光法およびインタフェロメトリを用いて、著者らはHR 6819およびLB-1にブラックホールではなく明るく高速で回転する星が存在することを示した。今後の調査において、進化した二重星を区別する必要があることを強調している。

ABSTRACT

While the number of stellar-mass black holes detected in X-rays or as gravitational wave sources is steadily increasing, the known population remains orders of magnitude smaller than predicted by stellar evolution theory. A significant fraction of stellar-mass black holes is expected to hide in X-ray-quiet binaries where they are paired with a "normal" star. Although a handful of such quiescent black hole candidates have been proposed, the majority have been challenged by follow-up investigations. A confusion that emerged recently concerns binary systems that appear to contain a normal B-type star with an unseen companion, believed to be a black hole. On closer inspection, some of these seemingly normal B-type stars instead turn out to be stars stripped of most of their mass through an interaction with their binary companion, which in at least two cases is a rapidly rotating star rather than a compact object. These contaminants in the search for quiescent black holes are themselves extremely interesting objects as they represent a rare phase of binary evolution, and should be given special attention when searching for binaries hosting black holes in large spectroscopic studies.

研究の動機と目的

• ストリップドスターリングがブラックホールと誤認されることが増加する中、静止状態のブラックホール探索における混乱を解消すること。
• 以前に静止状態のブラックホール候補と提案された二重星系の真の性質を明確にすること。
• 分光調査におけるストリップドスターリングの進化的特徴を特定することで、検出戦略を改善すること。
• 二重星系におけるコンact物体とストリップドスターリングを区別するための観測的診断を提供すること。
• 進化した二重星の汚染要因による誤検出を減らすことで、ブラックホール集団研究の信頼性を高めること。

提案手法

• MUSEおよびUVESを用いた高分解能分光法を用いて、径方向速度の変動を測定し、候補星の高速回転を検出した。
• VLTのGRAVITYを用いた干渉測定観測により、ミリアーセンド分のスケールで密な二重星系を解像した。
• 複数エポックの観測を統合して、軌道運動を確認し、単一星と二重星系を区別した。
• 進化モデルを用いて、観測された星のパラメータ（Teff、log g、L）をストリップドスターリングの理論的軌道と比較した。
• Gaiaのアストロメトリと光度測定データを統合し、軌道解を制約し、微弱な伴星を検出した。
• 詳細なスペクトル解析を実施し、密接な二重星相互作用に起因する回転によるスペクトル幅の拡大を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HR 6819およびLB-1における静止状態のブラックホールの存在が、ストリップドスターリングによって説明可能であるか。
• RQ2 二重星系における高速で回転するストリップドスターリングとブラックホールを区別する観測的特徴は何か。
• RQ3 HR 6819の中性星の観測された性質は、質量が失われた星の進化モデルとどのように一致するか。
• RQ4 回転によるスペクトル幅の拡大と径方向速度の変動が、質量の大きな見えない伴星の信号をどれほど模倣するか。
• RQ5 高分解能分光法および干渉測定技術が、曖昧なブラックホール候補を解明するために果たす役割は何か。

主な発見

• GRAVITYによるHR 6819の観測で、1ミリアーセンド分の二重星系が確認され、40日周期の軌道運動が裏付けられた。これにより、ブラックホールの存在は否定された。
• HR 6819の中性星は、以前に予想されたようにブラックホールではなく、質量約5.5 M☉のストリップド亜巨星である。
• 分光解析により、密接な二重星の同伴に起因する回転によるスペクトル幅の拡大が強く確認され、コンパクト物体とは一致しないことが判明した。
• 進化モデルの照合により、星がHR図およびキール図における位置が、質量移動後のストリップドスターリングの理論的軌道と一致することが確認された。
• HR 6819は、ブラックホールを含む三重星系ではなく、高速で回転するB型星とストリップドスターリングの二重星系である。
• 本研究は、ストリップドスターリングが径方向速度調査においてブラックホールのシグナルを模倣できることを示し、高分解能画像および分光法によるフォローアップが不可欠であることを示唆した。