[論文レビュー] Importance of stable mass transfer and stellar winds for the formation of gravitational wave sources

Andris Dorozsmai, Silvia Toonen|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、集団合成を用いた重力波放射源となる連星ブラックホールの形成に、質量移動安定性および星風のパラメータ設定の不確実性がどのように影響するかを調査する。質量移動効率と角運動量損失が、安定質量移動と共通エンvelope進化のどちらが支配的になるかを決定づけることが判明したが、星風は極端な仮定を除いて、合体する連星ブラックホールの質量にほとんど影響しない。

ABSTRACT

The large number of gravitational wave (GW) detections have revealed the properties of the merging black hole binary population, but how such systems are formed is still heavily debated. Understanding the imprint of stellar physics on the observable GW population will shed light on how we can use the gravitational wave data, along with other observations, to constrain the poorly understood evolution of massive binaries. We perform a parameter study on the classical isolated binary formation channel with the population synthesis code SeBa to investigate how sensitive the properties of the coalescing binary black hole population are on the uncertainties related to first phase of mass transfer and stellar winds. We vary five assumptions: 1 and 2) the mass transfer efficiency and the angular momentum loss during the first mass transfer phase, 3) the mass transfer stability criteria for giant donors with radiative envelopes, 4) the effective temperature at which an evolved star develops a deep convective envelope, and 5) the mass loss rates of stellar winds. We find that current uncertainties related to first phase of mass transfer have a huge impact on the relative importance of different dominant channels, while the observable demographics of GW sources are not significantly affected. Our varied parameters have a complex, interrelated effect on the population properties of GW sources. Therefore, inference of massive binary physics from GW data alone remains extremely challenging, given the large uncertainties in our current models.

研究の動機と目的

• 孤立した連星進化による合体する連星ブラックホールの形成に、とりわけ質量移動安定性と星風のパラメータ設定の不確実性が与える影響を評価すること。
• 主な物理的パラメータの変動が、異なる形成チャネル（例：安定質量移動対共通エンvelope進化）の相対的優位性にどのように影響するかを特定すること。
• モデルの不確実性を考慮した場合、現在の重力波観測が、よく理解されていない連星進化物理を制約できるかどうかを評価すること。
• 重力波データから連星物理を制約するための観測的診断（例：WR-O/B連星）が、どのように活用可能かを同定すること。

提案手法

• 質量移動および星風物理に関する異なる仮定を用いて、孤立した連星進化をシミュレートするためにSeBa集団合成コードを採用した。
• 5つの主要パラメータを体系的に変化させた：質量移動効率、最初の質量移動における角運動量損失、放射圧的包層を持つ巨星のドナーにおける質量移動安定性基準、深く対流的包層を形成するための有効温度、星風質量損失率。
• 質量移動段階、共通エンvelopeの噴出、重力波放射による最終的ブラックホール合体に至るまでの連星系の進化を追跡した。
• 異なるモデルバリアント間で得られた合体率およびブラックホール質量分布を比較し、入力の不確実性に対する感度を評価した。
• 既知のWR-O/B連星からの観測的制約を用いて、モデル予測の妥当性を検証し、パラメータ空間の探索を支援した。
• 各パラメータが、安定質量移動と共通エンvelope進化のチャネルへの相対的寄与に与える影響を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最初の質量移動段階における角運動量損失モード（γ = 1 対 γ = 2.5）の選択が、安定質量移動と共通エンvelope進化の相対的優位性にどのように影響するか？
• RQ2 巨星のドナーにおける質量移動安定性基準（ζ_ad,rad で定義）が、連星ブラックホールの合体率にどの程度影響を及えるか？
• RQ3 特に線駆動風およびLBV風の質量損失率の変動が、重力波源の質量と合体率にどの程度感度を示すか？
• RQ4 WR-O/B連星の観測的性質は、重力波源形成に関連する大質量連星系における質量移動物理を制約する手がかりとなり得るか？
• RQ5 複数の不確実パラメータが、合体する連星ブラックホールの観測的デモグラフィーに及ぼす組み合わせ的効果は何か？

主な発見

• 角運動量損失モード（γ = 1 対 γ = 2.5）の選択が、支配的形成チャネルを劇的に変える：γ = 2.5では安定質量移動チャネルが優位になるが、γ = 1ではそれが抑制され、共通エンvelope進化チャネルが強化される。
• 安定性基準ζ_ad,radを4から7.5に引き上げると、低質量連星ブラックホール（M_BH ≤ 20 M☉）の合体率が顕著に増加するが、低金属量下での質量比制限のため、高質量系にはほとんど影響しない。
• 線駆動風の質量損失率を3分の1に低下させると、孤立ブラックホールの質量は増加するが、合体する連星ブラックホールの質量にはほとんど影響しない。これは、包層剥ぎ取り後のWolf-Rayet段階での質量損失の補償的増加によるものである。
• LBV風の質量損失率が約10⁻³ M☉ yr⁻¹を超えると、共通エンvelope進化のチャンネルが完全に抑制される。これは、質量損失が十分にタイトな連星系の形成を妨げ、効率的なCEEを阻止するためである。一方、安定チャネルは、急速な包層剥ぎ取りのため、影響を受けない。
• 安定質量移動チャネルが支配的になるのは、高効率の質量移動と高い角運動量損失（γ = 2.5）の特定の組み合わせ下でのみであり、モデルパラメータ間の強い相関性が浮き彫りになる。
• 質量移動と星風パラメータの不確実性の複雑で非線形な相互作用のため、重力波データのみから大質量連星物理を推定することは依然として極めて困難である。