[논문 리뷰] Constraining Black Hole Formation with 2M05215658+4359220

Katelyn Breivik, Sourav Chatterjee외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 18.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 6인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 이진성 우주모의를 사용하여, 암흑성과 거대별을 수반하는 80일 주기의 이진성 2M05215658+4359220이 공통 대류층 단계를 겪었어야 한다고 보여준다. 이는 빠른 초신성 엔진 모델이 블랙홀 질량과 일치하지 않음을 시사하며, 현재의 블랙홀 형성 이론에 도전하고, 풍성적 적축 모델과 향후 중력파 탐지에 대한 핵심 시험으로서 이 시스템의 중요성을 부각시킨다.

ABSTRACT

We show that the recently discovered binary 2M05215658+4359220, comprised of a giant star (GS) orbiting a suspected black hole (BH) in a ~80 day orbit, may be instrumental in shedding light on uncertain BH-formation physics and can be a test case for studying wind accretion models. Using binary population synthesis and a realistic prescription of the star formation history and metallicity evolution of the Milky Way, we analyze the formation histories of detached BH-GS binaries like 2M05215658+4359220, and find that all such systems with orbital periods less than 5 years went through a common envelope. Furthermore, the `rapid' and `delayed' supernova engine models produce very different BH mass distributions in BH-GS binaries, and one current mass estimate for the BH in 2M05215658+4359220 is inconsistent with the rapid model. An improved measurement of the orbit of 2M05215658+4359220, which we argue is imminent with the next Gaia data release, therefore has widespread implications including for SN engine models and for the types of binaries detectable by LIGO and LISA. Finally, we show that the reported X-ray non-detection is a challenge for wind accretion theory, making 2M05215658+4359220 a prime target for further study with accretion models.

연구 동기 및 목표

• 실제 은하수 별 형성 및 금속성 진화를 반영하여, 2M05215658+4359220과 같은 탈리드 블랙홀-거대별 이진성의 형성 경로를 조사하기 위해.
• '빠른' 및 '지연된' 초신성 엔진 모델이 이러한 이진성에서 블랙홀 질량을 예측하는 데 있어 타당성을 시험하기 위해.
• 이 시스템의 X선 비감지 결과가 풍성적 적축 이론에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 향후 가이아 데이터가 궤도 측정치를 향상시켜 블랙홀 형성 모델을 제약하는 데 기여할 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• 실제 은하수 별 형성력사 및 금속성 진화를 반영한 이진성 우주모의를 사용하여 탈리드 BH-GS 이진성의 형성을 모델링하였다.
• '빠른' 및 '지연된' 두 가지 다른 초신성 엔진 모델을 적용하여 이진계에서의 블랙홀 질량 분포를 시뮬레이션하였다.
• 궤도 주기 제약 조건(5년 이내)을 적용하여, 이러한 모든 시스템이 공통 대류층 단계를 겪었어야 한다고 추론하였다.
• 두 초신성 모델에서 예측한 질량 분포와 관측된 블랙홀 질량 추정치의 일관성을 평가하였다.
• X선 비감지 결과가 풍성적 적축 모델에 대한 영향을 평가하였으며, 이를 적축 효율성에 대한 제약 조건으로 간주하였다.
• 다음 가이아 데이터 릴리스에서 향상된 궤도 측정치가 블랙홀 형성 모델과 LIGO, LISA 탐지 가능성에 대한 제약을 크게 향상시킬 것으로 예측하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 5년 이하의 궤도 주기를 가진 탈리드 블랙홀-거대별 이진성의 형성 경로는 무엇인가?
• RQ2 '빠른' 및 '지연된' 초신성 엔진 모델은 이러한 이진성에서 예측하는 블랙홀 질량 분포에 있어 어떻게 다를까?
• RQ3 2M05215658+4359220의 관측된 블랙홀 질량은 '빠른' 초신성 엔진 모델의 예측과 일치하는가?
• RQ4 2M05215658+4359220의 X선 비감지는 현재의 풍성적 적축 모델에 어떤 도전을 제기하는가?
• RQ5 가이아에서 향상된 궤도 측정치는 LIGO 및 LISA가 유사한 시스템을 탐지하는 데 어떤 영향을 미칠까?

주요 결과

• 5년 이하의 궤도 주기를 가진 모든 탈리드 블랙홀-거대별 이진성은 공통 대류층 단계를 겪었어야 한다.
• '빠른' 초신성 엔진 모델은 2M05215658+4359220의 현재 블랙홀 질량 추정치와 일치하지 않는 블랙홀 질량 분포를 생성한다.
• 2M05215658+4359220의 X선 비감지는 풍성적 적축 이론에 중대한 도전을 제기하며, 낮은 적축 효율성을 시사한다.
• 낮은 X선 광도와 잘 제약된 궤도 파rameters 덕분에 이 시스템은 풍성적 적축 모델을 시험하기 위한 최적의 후보이다.
• 다음 가이아 데이터 릴리스에서 향상된 궤도 측정치는 블랙홀 형성 모델과 LIGO, LISA 탐지 가능성에 대한 제약을 크게 향상시킬 것으로 기대된다.
• 이 시스템의 특성은 블랙홀 형성 및 이진성 진화의 물리학을 이해하는 데 있어 핵심 시험 사례가 된다.