[논문 리뷰] Constraints on mass ejection in black hole formation, derived from black hole X-ray binaries

G. Nelemans, Thomas M. Tauris외 1명|arXiv (Cornell University)|1999. 11. 04.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 블랙홀 X선 연성쌍성, 특히 시리우스 X-1과 1994년 X선 초신성 스코에서 관측된 공간 속도를 핵심 붕괴 초신성 기간 동안 대칭적인 질량 분출이 설명할 수 있음을 제안한다. 이는 태초의 추진력이 필요로 하지 않는다. 연구는 시리우스 X-1과 초신성 스코의 형성 과정에서 각각 최소 2.6 M⊙와 4.1 M⊙의 질량이 분출되어야 하며, 일관된 질량 분출 비율 f = 0.35가 저질량 블랙홀 이중성에서 낮은 속도를 설명할 수 있음을 밝혔다.

ABSTRACT

Both the recently observed high runaway velocities of Cyg X-1 (~50 km/s) and X-ray Nova Sco 1994 (> ~100 km/s) and the relatively low radial velocities of the black hole X-ray binaries with low mass donor stars, can be explained by symmetric mass ejection in the supernovae (SNe) which formed the black holes in these systems. Assuming symmetric mass ejection in black hole formation, we estimate the amount of mass that must have been ejected in the stellar core collapse in order to explain the velocities of the above X-ray binaries. We find that at least 2.6 M_sun and 4.1 M_sun must have been ejected in the formation of Cyg X-1 and Nova Sco, respectively. A similar mass loss fraction (f = 0.35) for the black hole binaries with low mass donors, gives low velocities, in agreement with the observations. We conclude that the black holes in X-ray binaries are all consistent with being formed in a successful SN in which mass is ejected. A possible kick at the formation of the black hole is not needed to explain their space velocities.

연구 동기 및 목표

• 블랙홀 X선 연성쌍성의 관측된 공간 속도, 특히 시리우스 X-1과 1994년 초신성 스코와 같은 고속 시스템을 설명하기 위해.
• 핵심 붕괴 초신성 기간 동안 대칭적인 질량 분출이 태초의 추진력 없이 측정된 속도를 설명할 수 있는지 조사하기 위해.
• 이러한 시스템에서 블랙홀 형성 과정에서 분출되어야 할 최소 질량을 추정하기 위해.
• 다양한 공급성 항성 질량을 가진 블랙홀 이중성 시스템 간 질량 분출 모델의 일관성을 시험하기 위해.
• 저질량 블랙홀 이중성에서 관측된 속도 분산이 블랙홀 형성 기간 동안 대칭적인 질량 손실과 호환되는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 블랙홀 X선 연성쌍성의 공간 속도, 특히 시리우스 X-1 (~50 km/s)과 초신성 스코 1994 (>100 km/s)를 관측적 제약 조건으로 분석한다.
• 핵심 붕괴 초신성 기간 동안 대칭적인 질량 분출에 의해 발생하는 반동 속도를 모델링하기 위해 운동량 보존 법칙을 적용한다.
• 관측된 속도를 이용해 각 시스템의 초신성 폭발에서 분출되어야 할 최소 질량을 유추한다.
• 유도된 질량 분출 비율(f)을 저질량 공급성 이중성에서 유도된 비율과 비교한다. 저질량 공급성 이중성에서는 낮은 경로 속도를 나타낸다.
• 대칭적인 질량 분출을 가정하고, 관측된 시스템 속도를 재현하기 위해 필요한 분출 질량을 유도한다.
• 다양한 시스템 간 유도된 분출 비율(f ≈ 0.35)의 일관성을 시험하여 모델의 탄력성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 핵심 붕괴 초신성 기간 동안 대칭적인 질량 분출이 시리우스 X-1과 초신성 스코 1994와 같은 고속 블랙홀 X선 연성쌍성의 고속 공간 속도를 설명할 수 있는가?
• RQ2 시리우스 X-1의 관측된 속도 ~50 km/s를 설명하기 위해 초신성 폭발 과정에서 분출되어야 할 최소 질량은 얼마인가?
• RQ3 초신성 스코 1994의 높은 속도를 설명하기 위해 형성 과정에서 분출되어야 할 최소 질량은 얼마인가?
• RQ4 저질량 공급성을 가진 블랙홀 이중성에서 낮은 경로 속도를 보이는 시스템 간 동일한 질량 분출 비율이 일관된가?
• RQ5 블랙홀 X선 연성쌍성의 공간 속도를 설명하기 위해 태초의 추진력이 필요한가, 아니면 대칭적인 질량 분출만으로도 충분한가?

주요 결과

• 시리우스 X-1의 관측된 공간 속도 ~50 km/s를 설명하기 위해 최소 2.6 M⊙의 질량이 분출되어야 한다.
• 초신성 스코 1994의 속도가 ~100 km/s를 초과하는 것을 설명하기 위해 최소 4.1 M⊙의 질량이 분출되어야 한다.
• 모든 시스템에서 일관된 질량 분출 비율 f = 0.35는 저질량 공급성 항성과 함께 있는 블랙홀 이중성에서 관측된 낮은 경로 속도를 설명할 수 있다.
• 블랙홀 X선 연성쌍성의 관측된 속도는 핵심 붕괴 초신성 기간 동안 대칭적인 질량 분출과 일치한다.
• 결과는 이러한 시스템의 공간 속도를 설명하기 위해 태초의 추진력이 필요로 하지 않다는 것을 시사한다.
• 모든 관측된 블랙홀 X선 연성쌍성은 대칭적인 질량 분출을 동반한 성공적인 초신성로 형성된 것으로 일관된다.