[논문 리뷰] High Mass Black Holes in Soft X-Ray Transients: Gap in Black Hole Masses ?

G. E. Brown, C. H. Lee외 1명|arXiv (Cornell University)|1999. 09. 15.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 질량이 몇 개의 태양질량에 이르는 고질량 블랙홀이 헬륨 핵 연소 이후 공통 대류권 진화를 통해 수소 대류권이 제거된 저질량 주계열성 별과의 이중성 시스템에서 형성된다고 제안한다. 이 모델은 이러한 시스템이 저질량 블랙홀을 형성하지 않음을 보여줌으로써 관측된 블랙홀 질량 갭을 설명하며, 2–5 태양질량 범위 내에서의 블랙홀 부족 현상이 천체물리적 제약에 기인함을 자연스럽게 설명한다.

ABSTRACT

We suggest that high-mass black holes; i.e., black holes of several solar masses, can be formed in binaries with low-mass main-sequence companions, provided that the hydrogen envelope of the massive star is removed in common envelope evolution which begins only after the massive star has finished He core burning. Our evolution scenario naturally explains the gap (low probability region) in the observed black hole masses.

연구 동기 및 목표

• 관측된 블랙홀 질량 갭, 특히 2–5 태양질량 범위 내에서의 블랙홀 부족 현상을 설명하기 위해.
• 부드러운 X선 전이 시스템에서 고질량 블랙홀의 형성 경로를 조사하기 위해.
• 공통 대류권 진화가 이중성 시스템 내 블랙홀 질량 분포에 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• 질량 갭이 관측 편향이 아닌 이중성 진화의 물리적 제약에 기인하는지 규명하기 위해.

제안 방법

• 질량이 큰 별이 핵 헬륨 연소를 거친 후 공통 대류권 진화를 시작하는 이중성의 진화를 모델링하기 위해.
• 기부자가 수소 대류권이 제거된 질량이 큰 별인 시스템에 대해 공통 대류권 형식을 적용하기 위해.
• 헬륨 핵 연소 이후에만 대류권 제거가 발생한다는 가정을 통해 저질량 블랙홀 형성을 방지하기 위해.
• 헬륨 핵 질량과 대류권 제거 효율성에 기반하여 도출된 블랙홀 질량 분포를 계산하기 위해.
• 예측된 질량 분포를 소프트 X선 전이 시스템 내 관측된 블랙홀 질량과 비교하기 위해.
• 각운동량과 질량 이동이 최종 블랙홀 질량을 어떻게 결정지키는지 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저질량 동반성을 가진 이중성에서 공통 대류권 진화가 저질량 블랙홀을 형성하지 않고 고질량 블랙홀을 자연스럽게 생성할 수 있는가?
• RQ2 왜 2–5 태양질량 범위 내에서 블랙홀의 수가 부족한가? 이는 형성 물리학적 원인인지 관측 편향 때문인가?
• RQ3 공통 대류권 진화의 시작 시점—헬륨 핵 연소 이후—이 최종 블랙홀 질량을 결정하는 데 핵심적인 역할을 하는가?
• RQ4 헬륨 핵 질량이 이러한 시스템에서 최종 블랙홀 질량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 형성 시나리오는 관측된 소프트 X선 전이 시스템의 특성을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 이 메커니즘을 통해 형성된 블랙홀은 관측 결과와 일치하는 몇 개의 태양질량 범위 내에서 질량을 가진다.
• 헬륨 핵 연소 이후에 공통 대류권 제거가 일어나기 때문에 저질량 블랙홀 형성이 방지되며, 이는 관측된 갭을 설명한다.
• 저질량 주계열성 동반성을 가진 시스템은 특정 진화 조건에서 대류권 제거가 일어날 경우 고질량 블랙홀 형성의 가능성이 있는 장소이다.
• 이 모델은 관측 선택 효과를 요구하지 않고도 2–5 태양질량 범위 내에서 블랙홀 부재 현상을 자연스럽게 설명한다.
• 이 시나리오는 특히 X선 행동과 이중성 특성에서 관측된 소프트 X선 전이 시스템의 특성과 일치한다.
• 이 방식으로 고질량 블랙홀을 형성함으로써 중간질량 블랙홀 형성이 피하게 되며, 현재의 관측 제약과도 부합한다.