[논문 리뷰] High Mass X-ray Binaries: Future Evolution and Fate

Krzysztof Belczyński, T. Bulik외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 08. 12.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 1인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 블랙홀-중성자별(BH-NS) 및 블랙홀-블랙홀(BH-BH) 시스템의 원천으로서 고질량 X선 이중성(HMXBs)의 미래 진화를 조사하며, 대부분의 HMXB가 헬륨 핵을 가진 공통-envelope 병합을 겪어 장수명 감마선 폭발(GRB) 원천이 될 수 있음을 밝혀낸다. 연구는 은하수 내 헬륨-병합 GRB 발생률을 연간 6–18 Myr⁻¹로 추정하며, 최근 지구의 대량 멸종 사건이 이러한 시스템으로부터의 가까운 GRB에 의해 유발되었을 가능성은 10–20%로 평가된다.

ABSTRACT

BH-NS and BH-BH systems are among the most promising gravitational wave sources detectable by advanced LIGO/VIRGO and the Einstein Telescope. Although the rates of these systems may be above those of NS-NS mergers, BH-NS and BH-BH systems are difficult to detect, and thusfar none have been observed. But the progenitors of BH-NS and BH-BH binary systems may have been observed, in the form of High-Mass X-ray Binaries (HMXBs). In this paper, we continue work studying these potential progenitors of these important gravitational wave sources. In the first two papers of the series, we have demonstrated that IC10 X-1 and NGC300 X-1 are direct progenitors of BH-BH systems and that Cyg X-1 may form, alas with a very low probability, a BH-NS system. Here, we analyze the Galactic binaries GX 301-2, Vela X-1, XTEJ1855-026, 4U1907+09, Cir X-1 and extra-galactic LMC X-1, LMC X-3, M33 X-1. In each case, we find that the future evolution will not allow the formation of a BH-NS nor a BH-BH system. Most of these binaries will soon merge in the common envelope phase, with a compact object sinking into a helium-rich core of a stellar companion. This "helium-merger" may be a progenitor for long duration gamma-ray bursts (GRBs). Based on the observed HMXB population, the rate of helium-mergers may make up a sizable fraction of long-duration GRBs. Due to this high number of potential GRB progenitors, a chance that a Galactic HMXB has caused one of the recent major mass extinction events is significant (10-20%).

연구 동기 및 목표

• 기존의 고질량 X선 이중성(HMXBs)이 블랙홀-중성자별(BH-NS) 또는 블랙홀-블랙홀(BH-BH) 시스템으로 진화할 수 있는지 규명하는 것.
• 정확한 파rameter를 갖춘 은하수 및 은하외 HMXBs의 운명을 평가하여 중력파 원천의 잠재적 원천으로서의 가능성을 분석하는 것.
• 공통-envelope 진화를 통해 형성된 헬륨-병합 사건이 장수명 감마선 폭발(GRB)을 생성하는 데 기여하는 역할을 평가하는 것.
• 헬륨-병합 GRB의 은하수 발생률을 추정하고, 지구 생태계에 미치는 영향, 특히 대량 멸종 사건에 대한 잠재적 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• GX 301-2, Vela X-1, XTE J1855-026, 4U 1907+09, Cir X-1, LMC X-1, LMC X-3, M33 X-1, IC10 X-1, NGC300 X-1을 포함한 12개의 HMXB에 대해 세밀한 이중성 진화 모델링을 수행하였다.
• 핵붕괴 초신성에 의해 형성된 밀도 높은 천체가 존재하는 조건에서, 대질량 동반성의 수명과 HMXB 단계의 수명을 별의 진화 모델을 사용해 추정하였다.
• HMXB 수명을 동반성의 주계열 수명과 중성자별 형성에 필요한 최소 시간(~5 Myr)의 차이로 계산하였다.
• HMXB 수명의 역수를 이용해 헬륨-병합 GRB의 은하수 형성률을 추정하였으며, 불완전한 조사 범위(디스크의 25%)를 보정하였다.
• 직접적인 GRB 지구 영향률을 추정하기 위해 비추출 보정(약 500배)과 공간적 영향 범위 감소 보정(약 80배)을 적용하였다.
• 관측 제약 조건과 이론적 모델을 활용해 지구의 45억 년 역사 동안 가까운 GRB가 대량 멸종 사건을 일으킬 가능성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 HMXB가 표준 이중성 진화를 통해 BH-NS 또는 BH-BH 시스템으로 진화할 수 있는가?
• RQ2 GX 301-2, Vela X-1, LMC X-3와 같은 HMXB의 공통-envelope 진화를 통해 기대되는 운명은 무엇인가?
• RQ3 HMXB 원천에서 기대되는 은하수 수준의 헬륨-병합 GRB 발생률은 얼마인가?
• RQ4 가까운 헬륨-병합 GRB가 최근 지구의 대량 멸종 사건 중 하나를 유발했을 가능성은 얼마나 되는가?
• RQ5 관측된 HMXB 집단으로부터 진정한 지구 영향 GRB 발생률을 추정하기 위해 필요한 보정은 무엇인가?

주요 결과

• GX 301-2, Vela X-1, XTE J1855-026, 4U 1907+09 등 기타 HMXB 대부분은 공통-envelope 진화를 겪으며, 헬륨이 풍부한 동반성과 병합하여 헬륨-병합 시스템을 형성한다.
• HMXB 수명과 조사 범위 보정을 바탕으로 은하수 수준의 헬륨-병합 GRB 발생률은 6–18 Myr⁻¹로 추정된다.
• 비추출 보정과 공간적 영향 보정을 적용한 후, 지구를 직접 향하는 GRB의 발생률은 약 0.15–0.45 Gyr⁻¹로 추정된다.
• 지구의 45억 년 역사 기간 동안 이와 같은 GRB에 의한 직접 영향은 약 0.65–2.0회 예상되며, 이는 최근 대량 멸종 사건을 유발했을 가능성은 7.2–22%로 평가된다.
• IC10 X-1, NGC300 X-1, Cyg X-1만이 BH-BH 또는 BH-NS 시스템의 원천으로 가능성이 높으며, 나머지 분석된 HMXB는 이러한 밀집 이중성 형성에 적합하지 않다.
• GX 301-2의 기여가 발생률 추정의 주요 기여 요소이지만, 질량 증가로 인해 HMXB 수명이 3 Myr로 연장될 경우 발생률은 1.5 Myr⁻¹로 감소하며, 여전히 조사 범위 보정 후 6–18 Myr⁻¹ 범위 내에 머무른다.