[論文レビュー] Shedding light on the black hole mass spectrum

Mario Spera, Nicola Giacobbo+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、最新の星風モデルおよび超新星爆発メカニズムを統合した新しい集団合成コードSEVNを提示する。このコードは、星々のブラックホール（BH）質量スペクトルを予測する。低金属量（Z ≲ 2×10⁻⁴）の環境では、ペア不安定性超新星（PISNe）を含めると、BH質量が最大で約100 M⊙に達することが示され、従来のモデルの予測を著しく上回る。

ABSTRACT

The mass spectrum of stellar black holes (BHs) is highly uncertain. Theoretical models of BH formation strongly depend on the efficiency of stellar winds of the progenitor star and on the supernova (SN) explosion mechanism. We discuss the BH mass spectrum we obtain using SEVN, a new public population-synthesis code that includes up-to-date stellar-wind prescriptions and several SN explosion models. Our models indicate a sub-solar metallicity environment for the progenitors of the gravitational wave source GW150914. We show that our models predict substantially larger BH masses (up to ~100 Msun) than other population synthesis codes, at low metallicity. In this proceeding, we also discuss the impact of pair-instability SNe on our previously published models.

研究の動機と目的

• 最新の星間進化およびSN爆発の定式化を用いて集団合成モデルを改善することで、星々のブラックホール質量スペクトルに関する不確実性を解消すること。
• ペア不安定性超新星（PISNe）がBH質量関数の上端をどのように規定するかを調査すること。
• SEVNの予測をSSEなどの既存のコードおよびGW150914の観測的制約、動力学的測定結果と比較すること。
• 特に低Z環境において、質量の大きなブラックホールの形成に金属量が及ぼす影響を評価すること。

提案手法

• SEVNは、初期質量および金属量のグリッド上で、パラメトリックなPARSEC星の等光度曲線を用いて、星の進化軌道をリアルタイムで補間する。
• 5種類のSN爆発モデル（遅延型、急速型、コンパクトネスに基づくメカニズムなど）を組み込み、コンパクト残骸の質量を予測する（O’Connor & Ott 2011; Ertl et al. 2016）。
• PISNeは、COコア質量が≥45 M⊙（ヘリウム質量が≥65 M⊙）の星が完全に破壊されることを仮定することでモデル化され、その質量範囲ではブラックホールの形成が防止される。
• ヘリウム質量が135 M⊙を超える星は、爆発を経ずに直接ブラックホールに崩壊すると仮定する。
• SEVNは、星の集団の動力学的シミュレーションに用いるために、N体コード（例：starlab, higpus）と連携されている。
• SEVNの出力は、SSEとの比較およびGW150914や動力学的BH質量測定の観測データと照合することで、妥当性が検証されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最新の星風およびSN爆発モデルを用いた低金属量環境で、形成可能なブラックホール質量の上限は何か？
• RQ2 ペア不安定性超新星が、集団合成モデルにおけるブラックホール質量関数の上端に与える影響は何か？
• RQ3 SEVNの予測は、特に中性子星とブラックホールの間の質量ギャップにおいて、SSEなどの古い集団合成コードとどのように異なるか？
• RQ4 BH質量予測に基づくと、GW150914の前身星が最も一致する金属量環境は何か？
• RQ5 急速型SNモデルと遅延型SNモデルなどの異なるSN爆発モデルが、低質量ブラックホールの形成および質量ギャップの有無に及ぼす影響はどの程度か？

主な発見

• Z = 0.02ではSEVNは最大で約25 M⊙のブラックホール質量を予測し、Z = 0.002では約60 M⊙、Z = 2×10⁻⁴ではPISNeを含めると約100 M⊙にまで上昇する。
• 初期質量が350 M⊙までに達する場合、Z ≲ 2×10⁻⁴の環境では最大で約275 M⊙のブラックホール質量に達する。これは、極めて高い質量のブラックホールが低金属量環境で形成可能であることを示している。
• PISNeを含めると、150 M⊙のZAMS質量制限下での最大BH質量は、PISNeなしでは約130 M⊙であったのに対し、PISNeありでは約100 M⊙にまで低下する。これは中間質量の前身星が完全に破壊されるためである。
• 急速SNモデルでは、約2 M⊙から約5 M⊙の間で明確な質量ギャップが形成され、観測的兆候である「重い中性子星」と「軽いブラックホール」の間のギャップと整合的である。
• SEVNは、改善された星風およびSN爆発の定式化のおかげで、特に低金属量において、SSEなどの古いコードよりも著しく高いBH質量を予測する。
• GW150914の前身星は、Z ≲ 0.001の低金属量環境で最もよく説明され、モデルが低Z環境における質量の大きなブラックホール形成を予測するのと整合的である。