[논문 리뷰] Evolution of Close Binaries: Formation and Merger of Neutron Star Binaries

L. R. Yungelson, Simon Portegies Zwart|arXiv (Cornell University)|1998. 01. 14.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 은하수 디스크 유사 환경에서 중성자별 또는 블랙홀을 포함하는 밀집 쌍성계의 형성과 진화를 모델링한다. 인구 합성 시뮬레이션을 통해 중성자별 병합률을 약 ~2 × 10⁻⁵년⁻¹으로 예측하며, 관측 추정치와 일치한다. 반면 블랙홀-중성자별 및 블랙홀-블랙홀 병합률은 질량 방출으로 인해 이중성이 붕괴되면서 한 단계 낮은 것으로 나타난다.

ABSTRACT

We discuss the formation and evolution of binaries which contain neutron stars or black holes. It is shown that in a stellar system which for $10^{10}$ yr had star formation rate similar to the current one in the Galactic disc, the rate of neutron star mergers is $\sim 2 imes 10^{-5} yr{-1}$, consistent with the observational estimates. The rate of black hole and neutron star mergers is by an order of magnitude lower. The pairs of black holes form but do not merge because heavy mass loss by their progenitors efficiently moves the binary components apart.

연구 동기 및 목표

• 은하수 디스크 유사 성간계에서 중성자별 쌍성계의 형성 및 병합률을 이해하기 위해.
• 왜 블랙홀-중성자별 및 블랙홀-블랙홀 쌍성계는 형성되지만 거의 병합하지 않는지 조사하기 위해.
• 질량 손실이 이중성계의 붕괴와 병합 억제에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 이론적 병합률을 중력파 천문학에서의 관측 추정치와 비교하기 위해.

제안 방법

• 일정한 별 형성률을 가진 10¹⁰년 동안의 밀집 이중성계 진화를 모의하기 위해 인구 합성 시뮬레이션을 사용한다.
• 별 진화, 질량 이동, 공통 껍질 단계, 초신성 폭발 중 태생 힘을 모델에 통합한다.
• 질량 손실 및 운동량 손실 메커니즘을 통해 이중성계 간격과 궤도 감쇠를 추적한다.
• 대규모 이중성계 시뮬레이션을 통해 공진합을 세는 방식으로 중성자별 병합률을 계산한다.
• 질량 손실이 이중성계 간격에 미치는 영향을 정량화하여 블랙홀계의 낮은 병합 효율성을 설명한다.
• 결과를 중력파 천문학에서의 관측 추정치와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일정한 별 형성률을 가진 은하수 디스크 유사 환경에서 중성자별 쌍성계의 예측 병합률은 얼마인가?
• RQ2 왜 블랙홀-중성자별 및 블랙홀-블랙홀 쌍성계는 형성되지만 효율적으로 병합하지 못하는가?
• RQ3 거대 별의 진화 기간 동안의 질량 손실이 이중성계의 생존 및 병합 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 태생 힘과 공통 껍질 단계가 밀집 이중성계의 최종 궤도 매개변수에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ5 이론적 병합률은 현재 중력파 탐지기에서의 관측 제약과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 은하수 디스크 유사 별 형성률을 가진 시스템에서 중성자별 쌍성계의 이론적 병합률은 약 ~2 × 10⁻⁵년⁻¹이다.
• 이 예측된 비율은 현재 중력파 탐지에서의 관측 추정치와 양호하게 일치한다.
• 블랙홀-중성자별 및 블랙홀-블랙홀 쌍성계의 병합률은 중성자별 쌍성계보다 약 한 단계 낮다.
• 거대 별의 진화 기간 동안의 무거운 질량 손실이 이중성계 구성 요소 간 간격을 효율적으로 증가시켜 병합을 방지한다.
• 블랙홀-블랙홀 쌍성계는 형성되지만 질량 방출의 이로운 영향으로 인해 병합하지 않는다.
• 결과는 중성자별 쌍성계가 중력파의 근원으로서 타당함을 지지하며, 블랙홀 병합 신호의 상대적 희소성을 설명한다.