[논문 리뷰] Common origin for black holes in both high mass X-ray binaries and gravitational-wave sources

Krzysztof Belczyński, Chris Done외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 17.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 LIGO/Virgo/KAGRA(LVK) 중력파 사건에서의 저스핀 블랙홀(BH)과 고질량 X선 이진성(HMXB)에서의 고스핀 추정 간의 명백한 모순을 해결한다. 이는 HMXB의 고스핀 값이 잘못된 스펙트럼 모델링에서 기인함을 보여줌으로써 이루어진다. X선 디스크 복사에 대해 따뜻한 콜로모프라이징 '스킨' 모델을 사용하여, Cyg X-1, LMC X-1, M33 X-7 모두 저스핀(aBH ≈ 0.1)을 보임을 입증한다. 이는 효율적인 각운동량 이행을 특징으로 하는 별성장 모델과 일치한다. 따라서 LVK와 HMXB 블랙홀은 모두 이러한 이행을 거친 거대 별에서 유래한 공통의 기원을 가진다.

ABSTRACT

Black-hole (BH) high-mass X-ray binary (HMXB) systems are likely to be the progenitors of BH-BH mergers detected by LIGO/Virgo/KAGRA (LVK). Yet merging BHs reach higher masses ($\sim 100M_{\odot}$) than BHs in HMXBs ($\sim 20 M_{\odot}$) and exhibit lower spins ($a_{ m BH}\lesssim 0.25$ with a larger values tail) than what is often claimed for BHs in HMXBs ($a_{ m BH}\gtrsim 0.9$). This could suggest that these two classes of systems belong to different populations, but here we show that this may not necessarily be the case. The difference in masses is easily explained as the known HMXB-BHs are in galaxies with relatively high metallicity, so their progenitor stars are subject to strong mass loss from winds, leading to relatively low-mass BH at core collapse. Conversely, LVK is also able to detect BHs from low-metallicity galaxies that produce more massive stellar-origin BHs. The difference in spin is more difficult to explain. Models with efficient angular momentum transport in stellar interiors produce slowly spinning progenitors for both LVK and HMXB BHs. Known HMXBs have orbital periods that are too long for tidal spin-up and are unlikely to have undergone significant accretion spin-up. Instead, we show that the derived value of the BH spin depends strongly on how the HMXB accretion disc emission is modelled. We argue that since Cyg X-1 is never observed in a soft state, the appropriate spectral models must take into account the Comptonisation of the disc photosphere. We show that such models are consistent with low spin values, namely: $a_{ m BH}\sim 0.1$. This was confirmed by other teams for both Cyg X-1 and LMC X-1 and we show this is also the case for M33 X-7. We conclude that all HMXB BHs can exhibit low spins, in accordance with stellar evolution models. Hence, the observations are consistent with the LVK BHs and HMXB BHs belonging to the same population.

연구 동기 및 목표

• LVK 중력파 사건에서의 저스핀 블랙홀과 HMXB에서의 고스핀 추정 간의 명백한 모순을 해결하기 위해.
• 관측된 스핀 차이가 본질적인 인구 차이인지, 아니면 HMXB 스펙트럼 피팅에서의 모델링 오류인지를 조사하기 위해.
• HMXB X선 디스크 복사에 대해 따뜻한 콜로모프라이징 '스킨' 모델을 사용하여, HMXB에서의 고스핀 주장과 별성장 모델의 저스핀 예측을 조율할 수 있는지 테스트하기 위해.
• LVK와 HMXB 블랙홀 모두가 효율적인 각운동량 이행을 거친 동일한 거대 별 인구에서 유래한다는 것을 입증하기 위해.

제안 방법

• Cyg X-1, LMC X-1, M33 X-7 포함 HMXB의 연한 X선 스펙트럼 상태에 따뜻한 콜로모프라이징 '스킨' 모델을 적용하여 피팅.
• 다양한 금속성에서 블랙홀 형성 시뮬레이션을 위한 인구 합성 모델 사용, 바람에 의한 질량 손실로 인한 질량 차이 설명.
• 효율적인 각운동량 이행(=Spruit 2002b; Fuller et al. 2019)을 고려한 모델에서 예측된 블랙홀 스핀을 LVK 및 HMXB 데이터에서의 관측된 스핀 분포와 비교.
• 특히 연한 스펙트럼 상태가 아닌 경우, 표준 디스크 연속 피팅 대신 따뜻한 스킨 모델을 사용하여 HMXB 블랙홀 스핀 추정 재평가.
• 스펙트럼 피팅 결과의 유효성을 검증하기 위해 Chandra 데이터 아카이브 및 소스 목록에서 제약 조건 통합.
• 효율적 스핀 매개변수(χeff)와 개별 블랙홀 스핀 크기(aBH) 분석을 통해 LVK 및 HMXB 시스템 간의 일관성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LVK 블랙홀의 저스핀과 HMXB 블랙홀의 고스핀 간의 모순이 본질적인 형성 메커니즘의 차이가 아니라 스펙트럼 모델링의 차이에서 기인할 수 있는가?
• RQ2 HMXB X선 복사에 대해 따뜻한 콜로모프라이징 '스킨' 모델을 사용할 경우, 표준 디스크 피팅 모델 대비 더 낮고 더 물리적으로 타당한 스핀 추정치를 도출할 수 있는가?
• RQ3 LVK와 HMXB 블랙홀 간의 관측된 질량 차이는 주로 원자성 별의 금속성에 의존하는 질량 손실 때문인가?
• RQ4 효율적인 각운동량 이행을 고려한 인구 합성 모델이 LVK 및 HMXB 관측치와 일치하는 블랙홀 스핀을 예측하는가?
• RQ5 물리적으로 타당한 스펙트럼 모델을 사용할 경우, Cyg X-1, LMC X-1, M33 X-7의 스핀은 저스핀 예측과 조율될 수 있는가?

주요 결과

• 따뜻한 콜로모프라이징 '스킨' 모델은 Cyg X-1에 대해 aBH ≈ 0.1의 블랙홀 스핀 추정치를 도출하며, 별성장 모델의 저스핀 예측과 일치한다.
• M33 X-7에 대해 따뜻한 스킨 모델을 사용한 스펙트럼 피팅 결과 스핀은 완전히 제약 없이 도출되지만, 모델은 물리적으로 타당하며 저스핀과 일치한다.
• 동일한 따뜻한 스킨 모델은 LMC X-1에 대해서도 저스핀 추정치를 도출하여, 여러 HMXB 시스템 간의 일관성을 확인한다.
• LVK 블랙홀(~10–100 M⊙)과 HMXB 블랙홀(~10–20 M⊙) 간의 관측된 질량 차이는 금속성에 기인한다: 고금속성 HMXB는 바람에 의한 질량 손실로 더 낮은 질량의 블랙홀을 형성한다.
• 인구 합성 모델은 효율적인 각운동량 이행이 자연스럽게 저스핀 블랙홀(aBH ∼ 0.1–0.2)을 이끌어내며, 이는 LVK 관측치와 일치하고, 정확한 모델링을 통해 HMXB 데이터와도 조율된다.
• 이 연구는 LVK와 HMXB 블랙홀이 모두 효율적인 각운동량 이행을 거친 동일한 거대 별 인구에서 기인하며, 명백한 스핀 모순이 해결됨을 결론으로 한다.