[論文レビュー] Evolution of Close Binaries: Formation and Merger of Neutron Star Binaries

L. R. Yungelson, Simon Portegies Zwart|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 1998

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、銀河的ディスクに類似した環境下で中性子星またはブラックホールを含む近接連星系の形成と進化をモデル化している。集団合成シミュレーションを用いて、中性子星合体の予測率は年間約2 × 10⁻⁵であり、観測的推定値と整合的である。一方、ブラックホール–中性子星およびブラックホール–ブラックホール合体のレートは、質量の噴出によって連星系が破壊されるため、1桁低い値となる。

ABSTRACT

We discuss the formation and evolution of binaries which contain neutron stars or black holes. It is shown that in a stellar system which for $10^{10}$ yr had star formation rate similar to the current one in the Galactic disc, the rate of neutron star mergers is $\sim 2 imes 10^{-5} yr{-1}$, consistent with the observational estimates. The rate of black hole and neutron star mergers is by an order of magnitude lower. The pairs of black holes form but do not merge because heavy mass loss by their progenitors efficiently moves the binary components apart.

研究の動機と目的

• 銀河的ディスクに類似した星系における中性子星連星の形成および合体レートを理解すること。
• ブラックホール–中性子星およびブラックホール–ブラックホール連星が形成されるが、なぜほとんど合体しないのかを調査すること。
• 星の進化過程における質量損失が連星系の生存および合体の可能性に与える影響を定量化すること。
• 理論的合体レートを重力波観測からの観測的推定値と比較すること。

提案手法

• 10¹⁰年間にわたり、一定の星形成率をもつ環境で、近接連星系の進化をモデル化するために集団合成シミュレーションが用いられている。
• 星の進化、質量転送、共通エンvelope段階、そして超新星爆発時のネイタルキックをモデルに組み込んでいる。
• 質量損失および角運動量損失のメカニズムを通じて、連星間隔と軌道の減衰を追跡している。
• 多数の連星系をシミュレートし、合体を数えることで中性子星合体のレートを計算している。
• 質量損失が連星間隔に与える影響を定量化し、ブラックホール系の合体効率が低い理由を説明している。
• 結果を重力波天文学からの観測的合体レート推定値と比較している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一定の星形成率をもつ銀河的ディスクに類似した環境下で、中性子星連星の予測合体レートは何か？
• RQ2 ブラックホール–中性子星およびブラックホール–ブラックホール連星が形成されるが、なぜ効率的に合体しないのか？
• RQ3 質量の大きな星の進化過程における質量損失が、連星系の生存および合体の可能性にどのように影響するか？
• RQ4 ネイタルキックおよび共通エンvelope段階が、最終的なコンパクト連星系の軌道パラメータにどの程度影響を与えるか？
• RQ5 理論的合体レートは、重力波検出器からの現在の観測的制約とどのように比較できるか？

主な発見

• 銀河的ディスクに類似した星形成率をもつ系では、理論的合体レートが年間約2 × 10⁻⁵に達する。
• この予測レートは、現在の重力波検出からの観測的推定値と良好に一致する。
• ブラックホール–中性子星およびブラックホール–ブラックホール連星の合体レートは、中性子星連星のレートのおよそ1桁低い。
• 質量の大きな星の進化過程における重い質量損失が、連星成分間の距離を効果的に増大させ、合体を防ぐ。
• ブラックホール–ブラックホール連星は形成されるが、質量噴出の破壊的効果により合体しない。
• 結果は、中性子星連星が重力波源として実現可能であることを支持し、ブラックホール合体信号の相対的少なさを説明する。