[論文レビュー] POSYDON: A General-Purpose Population Synthesis Code with Detailed Binary-Evolution Simulations

Tassos Fragos, Jeff J. Andrews+23 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 5

ひとこと要約

POSYDONは、太陽金属量の質量関係の連星系において、MESAコードを介して完全な星構造および連星進化モデリングを統合する、公開利用可能な汎用的連星集団合成コードである。質量移動、角運動量輸送、潮汐効果、コンパクト天体形成の自己整合的シミュレーションを可能にする。主な貢献は、広範な後処理および補間ツールを備えた、詳細で物理的に整合性のある連星進化の統一フレームワークを提供することにある。

ABSTRACT

Most massive stars are members of a binary or a higher-order stellar systems, where the presence of a binary companion can decisively alter their evolution via binary interactions. Interacting binaries are also important astrophysical laboratories for the study of compact objects. Binary population synthesis studies have been used extensively over the last two decades to interpret observations of compact-object binaries and to decipher the physical processes that lead to their formation. Here, we present POSYDON, a novel, binary population synthesis code that incorporates full stellar-structure and binary-evolution modeling, using the MESA code, throughout the whole evolution of the binaries. The use of POSYDON enables the self-consistent treatment of physical processes in stellar and binary evolution, including: realistic mass-transfer calculations and assessment of stability, internal angular-momentum transport and tides, stellar core sizes, mass-transfer rates and orbital periods. This paper describes the detailed methodology and implementation of POSYDON, including the assumed physics of stellar- and binary-evolution, the extensive grids of detailed single- and binary-star models, the post-processing, classification and interpolation methods we developed for use with the grids, and the treatment of evolutionary phases that are not based on pre-calculated grids. The first version of POSYDON targets binaries with massive primary stars (potential progenitors of neutron stars or black holes) at solar metallicity.

研究の動機と目的

• 自己整合的な詳細な星および連星進化プロセスをモデル化できる汎用的連星集団合成コードの開発。
• 従来の集団合成コードの限界を克服するため、簡略化された規定に依存するのではなく、完全な星構造モデリングを統合すること。
• 質量移動、潮汐効果、角運動量輸送といった連星相互作用の正確なシミュレーションを可能にすること。
• コンパクト天体形成および進化をモデル化するための公開可能で拡張可能なフレームワークを提供すること。

提案手法

• コードは単一および連星星の詳細な完全な星構造進化を計算するため、MESA星進化コードをコアエンジンとして使用する。
• Sukhboldら（2016年）およびPatton & Sukhbold（2020年）の超新星エンジン規定に基づいた、現実的な質量移動計算、安定性基準、および再吸収率の評価を組み込む。
• コア質量、半径、進化状態の指標を含む、詳細な出力を備えた事前計算済みの単一星および連星星モデルの広範なグリッドをフレームワークに統合する。
• 効率的な集団合成シミュレーションを実現するため、機械学習（scikit-learn）および補間技術を用いた後処理および分類ツールを実装する。
• 事前計算グリッドに基づかない進化段階は、リアルタイムのMESA統合を用いて動的に処理する。
• さまざまな進化段階で一貫性のあるコア質量および半径の追跡を可能にするために、複数のコア定義（例：m_core_CE_1cent、m_core_CE_pure_He_star_10cent）をサポートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スケーラブルな集団合成フレームワークに完全な星構造モデリングを統合することで、連星進化予測の正確性をどのように向上させられるか？
• RQ2 現実的な質量移動安定性基準および再吸収率が、中性子星およびブラックホールの形成率および性質に与える影響は何か？
• RQ3 内部の角運動量輸送および潮汐相互作用は、質量関係連星系の軌道進化および最終状態にどのように影響を与えるか？
• RQ4 後処理および補間技術をどの程度活用すれば、各モデルについてフルMESAシミュレーションを再実行せずに効率的な集団合成を実現できるか？

主な発見

• POSYDONは、Sukhbold ら（2016年）およびPatton & Sukhbold（2020年）の物理的根拠に基づいた規定を用いて、質量移動安定性、再吸収率、コア特性の自己整合的取り扱いを可能にする。
• さまざまな水素およびヘリウム質量分率のしきい値を基準とした詳細なコア質量および半径定義（例：m_core_CE_1cent、r_core_CE_10cent）を提供し、コア進化の正確な追跡を可能にする。
• SNタイプ、COスピン、再吸収質量率を含む、複数の超新星エンジン規定をサポートしており、コンパクト天体形成における多様な結果を可能にする。
• 高度な補間および分類ツールを備えた事前計算グリッドの使用により、物理的妥当性を保ちつつ効率的な集団合成シミュレーションが実現できる。
• コードは公開されており、共同研究者からの広範なテストおよびフィードバックを通じて検証されており、堅牢性および再現可能性が保証されている。
• POSYDONは、太陽金属量の質量関係連星系において、生産用途に適した状態にあり、詳細なコア特性および進化段階の追跡をサポートしている。