[논문 리뷰] A Sample of Neutron Star and Black Hole Binaries Detected through Gaia DR3 Astrometry

Jeff J. Andrews, K. Taggart외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 01.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 Gaia DR3의 운동학적 운동을 통해 1.35–2.7 M☉의 질량을 가진 어두운 이중성 운성체를 가진 24개의 장주기 이중성계를 식별하였으며, 이는 중성자별 또는 블랙홀을 강하게 시사한다. 낮은 궤도 속도(≤20 km s⁻¹)는 일부 질량이 큰 중성자별이 낮은 태생 반동을 가질 수 있음을 시사하며, 중성자별 탄생 반동의 표준 모델에 도전한다.

ABSTRACT

With its exquisite astrometric precision, the latest Gaia data release includes $\sim$$10^5$ astrometric binaries, each of which have measured orbital periods, eccentricities, and the Thiele-Innes orbital parameters. Using these and an estimate of the luminous stars' masses, we derive the companion stars' masses, from which we identify a sample of 24 binaries in long period orbits ($P_{ m orb}\sim{ m yrs}$) with a high probability of hosting a massive ($>$1.4 $M_{\odot}$), dark companion: a neutron star (NS) or black hole (BH). The luminous stars in these binaries tend to be F-, G-, and K-dwarfs with the notable exception of one hot subdwarf. Follow-up spectroscopy of eight of these stars shows no evidence for contamination by white dwarfs or other luminous stars. The dark companions in these binaries span a mass range of 1.35-2.7 $M_{\odot}$ and therefore likely includes both NSs and BHs without a significant mass gap in between. Furthermore, the masses of several of these objects are $\simeq$1.7 $M_{\odot}$, similar to the mass of at least one of the merging compact objects in GW190425. Given that these orbits are too wide for significant mass accretion to have occurred, this sample implies that some NSs are born heavy ($\gtrsim$1.5 $M_{\odot}$). Additionally, the low orbital velocities ($\lesssim$20 km s$^{-1}$) of these binaries requires that at least some heavy NSs receive low natal kicks, otherwise they would have been disrupted during core collapse. Although none will become gravitational wave sources within a Hubble time, these systems will be exceptionally useful for testing binary evolution theory.

연구 동기 및 목표

• Gaia DR3 운동학적 데이터를 활용해 넓은 궤도를 가진 중성자별 및 블랙홀 이중성을 식별하기.
• 궤도 파rameter 분석을 통해 이러한 시스템에서 어두운 성분의 질량을 결정하기.
• 질량이 큰 중성자별의 태생 반동 속도를 평가하여 이중성 진화 모델을 검증하기.
• 후속 스펙트로스코피를 통해 백색왜성 또는 다른 밝은 성분에 의한 오염 여부를 배제하기.
• 이 시스템들이 향후 전자기파 또는 중력파 관측에 적합한 잠재성을 평가하기.

제안 방법

• 10⁵개의 운동학적 이중성계에 대해 Gaia DR3 운동학적 해를 활용해 궤도 파rameter(주기, 이심률, Thiele-Innes 요소)를 측정하였다.
• 스펙트르 타입에서 유도된 밝은 별의 질량을 추정하고, 케플러 궤도 모델링을 통해 성분 질량을 유도하였다.
• 질량 함수 분석을 적용하여 성분 질량을 추론하고, 1.35–2.7 M☉ 성분을 가진 시스템을 식별하였다.
• 8개의 시스템에 대해 후속 스펙트로스코피를 실시하여 백색왜성 또는 이중성 성분에 의한 오염 여부를 배제하였다.
• 궤도 속도를 평가하여 태생 반동 크기를 추론하고 이론적 기대치와 비교하였다.
• 통계적 및 천체물리적 일관성 검증을 통해 중성자별 또는 블랙홀 존재를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Gaia DR3 운동학적 데이터로 식별된 넓은 궤도 이중성계에서 어두운 성분의 질량 분포는 어떻게 되는가?
• RQ2 질량이 큰 중성자별(≥1.5 M☉)은 이 시스템의 궤도 속도에서 제시하는 바와 같이 낮은 태생 반동을 받는가?
• RQ3 관측된 궤도 파rameter는 백색왜성 또는 분광형 저질량 성분과 같은 대체 성분을 배제할 수 있는가?
• RQ4 이 시스템들은 특히 밀집 천체 형성 측면에서 표준 이중성 진화 모델과 일치하는가?
• RQ5 이 시스템들은 향후 전자기파 또는 중력파 탐지에 대해 어떤 잠재력을 지니는가?

주요 결과

• 이 연구는 24개의 장주기 이중성계(P_orb ~ 년 단위)를 식별하였으며, 이들의 어두운 성분 질량은 1.35–2.7 M☉로, 중성자별 또는 블랙홀을 강하게 시사한다.
• 궤도 속도는 ≤20 km s⁻¹로, 일반적인 중성자별 태생 반동 속도(~265 km s⁻¹)보다 현저히 낮으며, 이는 질량이 큰 중성자별이 낮은 반동을 가진다는 것을 시사한다.
• 성분 질량 분포에는 중성자별과 블랙홀 사이에 뚜렷한 갭이 없으며, 이는 무거운 중성자별 형성 가능성을 시사한다.
• 8개 시스템에 대한 후속 스펙트로스코피 분석에서 백색왜성 또는 다른 밝은 성분에 의한 오염 증거는 발견되지 않았다.
• 이 시스템들은 상호작용이 심한 질량 이동이 일어나기에는 너무 넓기 때문에, 성분의 높은 질량은 원시적인 것이며, 적축된 것이 아니라고 판단된다.
• 결과적으로, 적어도 일부 질량이 큰 중성자별(≥1.5 M☉)은 낮은 태생 반동을 가진 채로 탄생하는 것으로 보이며, 이는 표준 초신성 폭발 모델에 도전한다.