[論文レビュー] Metallicity dependence of black hole main sequence binaries detectable with Gaia

Tomoya Kinugawa, Masaki Yamaguchi|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、銀河系におけるブラックホール-主系列 (BH-MS) 二重星系のモデル化に二重星系合成を用い、ガウスが太陽金属量 (Z⊙) で200–400個、0.1Z⊙で70–400個のこのような系を検出可能であることを示している。主系列星の金属量は、ブラックホール形成の金属量依存性を調べるための分光的追跡観測に利用可能であり、金属不足星を含む前身星系の直接的観測的検証を可能にする。

ABSTRACT

LIGO has detected gravitational waves from massive binary black hole mergers. In order to explain the origin of such massive stellar-mass black holes, extreme metal poor stars including first stars have been invoked. However, black holes do not carry information of the metallicity. In order to check the metallicity dependence of the black hole formation, we focus on galactic black hole-main sequence binaries (BH-MSs). Using a binary population synthesis method, we find that $\gaia$ can detect $\sim200-400$ BH-MSs whose metallicity is $\zsun$ and $\sim70-400$ BH-MSs whose metallicity is $0.1\zsun$. With the spectroscopic observation on 4-m class telescopes, we can check the metallicity of BH-MSs. The metallicity dependence of the black hole formation might be checked by the astrometry and spectroscopic observations.

研究の動機と目的

• ガウスによるブラックホール-主系列 (BH-MS) 二重星系の検出可能性を、異なる金属量の下で調査すること。
• ガウスの位置測定データと分光的追跡観測を組み合わせることで、ブラックホール形成の金属量依存性を特定できるかを評価すること。
• 特に質量損失および共通エンvelope段階に敏感な金属量依存の二重星系進化の手続きを用いて、BH-MS二重星系の集団をモデル化すること。
• 現実的なガウスの検出限界を想定した下で、太陽金属量 (Z⊙) および低金属量 (0.1Z⊙) の下での検出可能なBH-MS系の数を定量すること。

提案手法

• 金属量と光度に依存する更新済みの風質量損失率を用いた修正版BSEコードを用いた二重星系合成：Ẇ_WR ∝ L^1.5 Z^0.86 および Ẇ_LBV = 1.5×10⁻⁴ M⊙ yr⁻¹。
• エネルギーの軌道崩壊によるエンベロープの解体を伴う共通エンベロープ進化の組み込み、αλ = 1 として、進化後の分離距離が二重星系の生存を決定する。
• 初期質量関数 f(M₁) ∝ M₁⁻².³⁵ (5–100 M⊙)、一様な質量比 q ∈ (0.1, 1)、および逆分離距離分布 f(a) ∝ 1/a を用いて、10⁵個の二重星系をシミュレート。
• ガウスの検出基準の適用：視差信号対雑音比 >10、限界星等級 G ≈ 20 mag、周期範囲 50日 < P < 5年（ガウスの観測サイクルに一致）。
• 2種類の星形成モデル：10 Gyrにわたり一定の星形成率を仮定し、Z⊙ と 0.1Z⊙ の割合を等しくした「Mixモデル」と、時間に依存する金属量を有する「化学的進化モデル (ChemiEvo)」。
• 全銀河内のBH-MS集団とガウスで検出可能な集団の比較により、選択効果および金属量依存の検出バイアスを評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽金属量 (Z⊙) および低金属量 (0.1Z⊙) の下で、ガウスはブラックホール-主系列二重星系をどれくらいの数だけ検出可能か？
• RQ2 BH-MS系における主系列星の金属量は、ガウスによる検出可能性にどのように影響するか？
• RQ3 4メートル望遠鏡を用いた分光的追跡観測は、ガウスで検出されたBH-MS系の主系列星の金属量を信頼性を持って測定できるか？
• RQ4 BH-MS二重星系におけるブラックホール質量関数の金属量依存性は何か？また、Z⊙ と 0.1Z⊙ の集団でどのように異なるか？
• RQ5 金属量の違いに起因する質量損失および共通エンベロープ進化の違いが、最終的な検出可能なBH-MS二重星系集団にどのように影響するか？

主な発見

• ガウスは太陽金属量 (Z⊙) で約200–400個、0.1Z⊙で70–400個のブラックホール-主系列二重星系を検出可能であり、星形成モデルに依存する。
• Mixモデルでは、低金属量二重星系の質量損失が低減され、共通エンベロープ合体確率も低いため、0.1Z⊙での検出可能なBH-MS系の数がZ⊙より多い。
• ChemiEvoモデルでは、高質量星の寿命が短く、高質量二重星系の進化が早く進行するため、0.1Z⊙での検出可能なBH-MS系の数はZ⊙の6分の1にまで低下する。
• ガウスで検出されたBH-MS系におけるブラックホールの質量関数には明確な金属量依存性が見られる：18 M⊙を超えるブラックホールは、おそらくPop II起源である。
• ガウスで検出された系の主系列星は、低質量のものほど明るさが不足するため、検出バイアスにより高質量側に偏っている。全集団に存在する低質量の同伴星は、検出不能である。
• 4メートル望遠鏡を用いた分光的追跡観測により、主系列星の金属量を測定可能であり、これによりブラックホールの前身星の金属量を直接推定可能である。