[논문 리뷰] Black hole - neutron star mergers: The first mass gap and kilonovae

Paweł Drozda, Krzysztof Belczyński외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 14.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 9인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 인구 합성 모델을 사용하여 블랙홀-중성자별(BH-NS) 병합을 조사하여 첫 번째 질량 간극(2–5 M☉)과 킬로노바 방출을 탐구한다. 연구 결과, 8미터 망원경으로 감지 가능한 질량을 방출하는 BH-NS 병합은 약 1%에 불과하며, 지연된 초신성 엔진을 가정할 경우 약 30%의 시스템에서 최소한 하나의 밀도 높은 천체가 첫 번째 질량 간극에 존재한다. 이는 질량 간극 존재와 핵붕괴 물리학 간의 연관성을 시사한다.

ABSTRACT

Observations of X-ray binaries indicate a dearth of compact objects in the mass range from $\sim 2-5 M_{\odot}$. The existence of this (first mass) gap has been used to discriminate between proposed engines behind core-collapse supernovae. From LIGO/Virgo observations of binary compact remnant masses, several candidate first mass gap objects (either neutron stars (NSs) or black holes (BHs)) were identified during the O3 science run. Motivated by these new observations, we study the formation of BH-NS mergers in the framework of isolated classical binary evolution, using population synthesis methods to evolve large populations of binary stars (Population I and II) across cosmic time. We present results on the NS to BH mass ratios ($q=M_{ m NS}/M_{ m BH}$) in merging systems, showing that although systems with a mass ratio as low as $q=0.02$ can exist, typically BH-NS systems form with moderate mass ratios $q=0.1-0.2$. If we adopt a delayed supernova engine, we conclude that $\sim 30\%$ of BH-NS mergers may host at least one compact object in the first mass gap (FMG$^\circ$). Even allowing for uncertainties in the processes behind compact object formation, we expect the fraction of BH-NS systems ejecting mass during the merger to be small (from $\sim 0.6-9\%$). In our reference model, we assume: (i) the formation of compact objects within the FMG, (ii) natal NS/BH kicks decreased by fallback, (iii) low BH spins due to Tayler-Spruit angular momentum transport in massive stars. We find that $\lesssim 1\%$ of BH-NS mergers will have any mass ejection and about the same percentage will produce kilonova bright enough to have a chance of being detected with a large (Subaru-class) $8$m telescope. Interestingly, all these mergers will have both a BH and an NS in the FMG.

연구 동기 및 목표

• 압축 천체 형성 물리학에 대한 불확실성 하에, BH-NS 병합에서 질량을 방출하고 감지 가능한 킬로노바를 생성하는 비율을 결정하기 위해.
• 다양한 초신성 엔진 모델 하에서 BH-NS 시스템 내에서 첫 번째 질량 간극(2–5 M☉)에 압축 천체가 존재할 가능성을 평가하기 위해.
• 극도로 높은 질량 비율과 질량 간극 천체를 가진 BH-NS 시스템을 형성하는 데 있어 고립된 이중성 진화의 역할을 평가하기 위해.
• LIGO/Virgo O3 데이터에서 관측된 질량 간극 후보를 이용하여 핵붕괴 초신성의 특성을 제약하기 위해.
• 미래의 BH-NS 병합 시스템 집단 및 그 전자기 대응 현상 연구를 위한 공개 가능한 모델 세트를 제공하기 위해.

제안 방법

• 우주의 시간에 걸쳐 인구 I 및 인구 II 별의 고립된 이중성 진화에 대한 인구 합성 시뮬레이션.
• 나탈 킥, 재융합 및 운동량 이동(예: Tayler-Spruit)에 대한 다양한 가정을 바탕으로 압축 천체 형성 모델링.
• 중성자별에 대한 MPA1 상태방정식 사용 및 감지 가능 임계값을 고려한 현실적인 킬로노바 빛의 세기 모델링.
• 질량 방출 및 감지 가능성에 대한 불확실성 평가를 위해 여러 모델(M280, M283 등)에 대한 민감도 분석.
• LIGO/Virgo O3 관측 결과와 비교하여 예측된 병합 속도 및 질량 비율을 분석하며, 특히 질량 간극 후보에 초점을 맞춤.
• BH 스핀 효과를 통합하여 질량 방출 및 킬로노바 밝기에 큰 영향을 미친다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 8미터 망원경으로 감지 가능한 킬로노바를 생성할 만큼의 질량 방출을 보이는 BH-NS 병합의 비율은 얼마인가?
• RQ2 지연된 초신성 엔진 시나리오가 BH-NS 시스템 내에서 첫 번째 질량 간극(2–5 M☉)에 압축 천체를 형성할 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 병합하는 BH-NS 시스템의 일반적인 질량 비율(q = M_NS / M_BH)은 얼마이며, q = 0.02와 같은 극단적인 비율은 얼마나 흔한가?
• RQ4 나탈 킥, 재융합 및 BH 스핀에 대한 불확실성이 질량 방출을 일으키는 병합의 예측 비율에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 BH-NS 병합의 전자기 대응 현상은 거대 별 내 운동량 이동 모델 간의 경쟁적 가정을 구분하는 데 도움이 될 수 있는가?

주요 결과

• 기준 모델 하에서, 대규모(스브루 클래스) 8미터 망원경으로 감지 가능한 킬로노바를 생성할 수 있는 질량 방출을 보이는 BH-NS 병합은 약 1%로 예측된다.
• 불확실한 입력 물리학에 따라 질량 방출을 보이는 BH-NS 병합 비율은 0.6%에서 9% 사이로 변동하며, 기준 모델에서는 ≤1%로 산출된다.
• 지연된 초신성 엔진 시나리오 하에서, 약 30%의 BH-NS 병합에서 최소한 하나의 압축 천체가 첫 번째 질량 간극(2–5 M☉)에 존재한다.
• q = 0.02와 같은 낮은 질량 비율을 가진 시스템은 형성될 수 있지만, 일반적인 BH-NS 병합은 q = 0.1–0.2 수준의 중간 질량 비율을 가진다.
• 기준 모델에서 킬로노바를 생성하는 모든 병합 시스템은 첫 번째 질량 간극에 블랙홀과 중성자별 모두를 포함한다. 이는 질량 간극 천체와 감지 가능한 전자기 방출 간의 강력한 연관성을 시사한다.
• 미래의 BH-NS 병합에서의 전자기 방출 감지(또는 비감지) 결과는 거대 별 내 운동량 이동 모델 간의 경쟁적 가정을 구분하는 데 도움이 될 수 있다.