[論文レビュー] IC10 X-1: the immediate progenitor of a double black hole binary

T. Bulik, Krzysztof Belczyński+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2008

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、IC10 X-1 および NGC300 X-1 が、安定した質量転送と誕生キックの最小限の影響を受けて、約 0.3 Myr 以内に二重ブラックホール（BH-BH）連星を直ちに形成すると提案している。両システムは約 3 Gyr 以内に合体し、チルプ質量は約 15 M☉ であるため、LIGO/Virgo で検出可能である。また、これらの存在は 99% の信頼水準で年間 100 回あたり R = 3.36⁺⁸.²⁹₋₂.⁹² 個の検出可能な合体率を示唆している。

ABSTRACT

We investigate the future evolution of two extragalactic X-ray binaries: IC10 X-1 and NGC300 X-1. Each of them consists of a high mass BH ($\sim 20-30 \msun$) accreting from a massive WR star companion ($\gtrsim 20 \msun$), and both are located in low metallicity galaxies. We analyze the current state of the systems and demonstrate that both systems will very quickly ($\lesssim 0.3$ Myr) form close BH-BH binaries with the short coalescence time ($\sim 3$ Gyr) and large chirp mass ($\sim 15 \msun$). The formation of BH-BH system seems unavoidable, as {\em (i)} WR companions are well within their Roche lobes and they do not expand so no Roche lobe overflow is expected, {\em (ii)} even intense WR wind mass loss does not remove sufficient mass to prohibit the formation of the second BH, {\em (ii)} even if BH receives the large natal kick, the systems are very closely bound and are almost impossible to disrupt. As there are two such immediate BH-BH progenitor systems within 2 Mpc and as the current gravitational wave instruments LIGO/VIRGO (initial stage) can detect such massive BH-BH mergers out to $\sim 200$ Mpc, the empirically estimated detection rate of such inspirals is $R=3.36^{+8.29}_{-2.92}$ at the 99% confidence level. If there is no detection in the current LIGO/VIRGO data (unreleased year of $s6$ run), the existence of these two massive BH systems poses an interesting challenge. Either the gravitational radiation search is not sensitive to massive inspirals or there is some fundamental misunderstanding of stellar evolution physics leading directly to the formation of BH-BH binaries.

研究の動機と目的

• IC10 X-1 および NGC300 X-1 の進化的運命を特定すること。これらは大質量ブラックホールを有する銀河間X線連星である。
• これらのシステムが必然的に近接で短い合体時間を持つ二重ブラックホール連星を形成するかどうかを評価すること。
• 現在の LIGO/Virgo 機器によるこのような大質量 BH-BH 合体の予想検出率を推定すること。
• S6 データ走査でこのような合体が検出されなかった場合、その結果が恒星進化理論または重力波検出の理解に与える影響を評価すること。

提案手法

• 質量転送と角運動量損失に焦点を当てた、IC10 X-1 および NGC300 X-1 の二重星進化のモデリング。スターリアの進化コードを用いて実施。
• WR 補助星がローチューブ内に留まり、不安定なオーバーフローを避けるかどうかを確認することで、質量転送の安定性を評価。
• 特に高い質量損失率下でも第二のブラックホール形成の生存可能性を、星風による質量損失の影響を評価。
• 誕生キックの二重星系への影響をシミュレーションし、非常に短い軌道分離によりシステムが束縛されたままであることを示した。
• 重力波のインスピレーション時間とチルプ質量の計算を用いて、200 Mpc 範囲内での LIGO/Virgo による検出可能性を推定。
• 統計的手法を用いて、2 つのこのようなシステムの存在に基づき、99% 信頼水準での合体検出率の下限および上限を導出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IC10 X-1 および NGC300 X-1 は数10万年以内に近接した二重ブラックホール連星に進化するか？
• RQ2 WR 補助星からの質量損失や誕生キックによって第二のブラックホールの形成が阻止される可能性はあるか？
• RQ3 得られる BH-BH 連星の予想合体時間スケールとチルプ質量は何か？
• RQ4 現在の LIGO/Virgo 機器によるこのような大質量 BH-BH 合体の予想検出率は何か？
• RQ5 S6 ランでこのようなシステムが検出されなかった場合、恒星進化理論または重力波検出の理解にどのような課題を提示するか？

主な発見

• IC10 X-1 および NGC300 X-1 は、安定した質量転送と最小限の破壊的影響により、≤0.3 Myr 以内に近接した二重ブラックホール連星を形成する。
• 得られる BH-BH 連星は、約 3 Gyr の合体時間スケールと約 15 M☉ のチルプ質量を有する。
• 非常に短い軌道分離のため、大きな誕生キックがあってもシステムは束縛されたままである。
• 経験的推定によるこのような大質量 BH-BH 合体の検出率は、99% 信頼水準で年間 100 回あたり R = 3.36⁺⁸.²⁹₋₂.⁹² 個である。
• S6 ランでこのような合体が検出されない場合、現在の重力波計器が大質量インスピレーションに感度が低い、または恒星進化モデルに根本的な見直しが必要である可能性を示唆する。
• 2 Mpc 地域内に2つのこのようなシステムが存在することは、現在の LIGO/Virgo の感度で大質量 BH-BH 合体を検出可能な可能性を強く支持する。