[논문 리뷰] IC10 X-1: the immediate progenitor of a double black hole binary

T. Bulik, Krzysztof Belczyński외 1명|arXiv (Cornell University)|2008. 03. 25.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 IC10 X-1과 NGC300 X-1이 안정적인 질량 이 trasfer와 낙관적 충격 힘의 최소 영향을 받아 약 ~0.3 Myr 이내에 이중 블랙홀(BH-BH) 이진계의 즉각적인 조상임을 제안한다. 두 시스템은 약 ~3 Gyr 내에 병합하게 되며, 이로 인해 ~15 M☉의 치르프 질량을 가지게 되어 LIGO/Virgo로 탐지 가능하며, 이들의 존재는 99% 신뢰수준에서 연간 100회당 R = 3.36⁺⁸.²⁹₋₂.⁹²의 탐지 가능한 병합률을 암시한다.

ABSTRACT

We investigate the future evolution of two extragalactic X-ray binaries: IC10 X-1 and NGC300 X-1. Each of them consists of a high mass BH ($\sim 20-30 \msun$) accreting from a massive WR star companion ($\gtrsim 20 \msun$), and both are located in low metallicity galaxies. We analyze the current state of the systems and demonstrate that both systems will very quickly ($\lesssim 0.3$ Myr) form close BH-BH binaries with the short coalescence time ($\sim 3$ Gyr) and large chirp mass ($\sim 15 \msun$). The formation of BH-BH system seems unavoidable, as {\em (i)} WR companions are well within their Roche lobes and they do not expand so no Roche lobe overflow is expected, {\em (ii)} even intense WR wind mass loss does not remove sufficient mass to prohibit the formation of the second BH, {\em (ii)} even if BH receives the large natal kick, the systems are very closely bound and are almost impossible to disrupt. As there are two such immediate BH-BH progenitor systems within 2 Mpc and as the current gravitational wave instruments LIGO/VIRGO (initial stage) can detect such massive BH-BH mergers out to $\sim 200$ Mpc, the empirically estimated detection rate of such inspirals is $R=3.36^{+8.29}_{-2.92}$ at the 99% confidence level. If there is no detection in the current LIGO/VIRGO data (unreleased year of $s6$ run), the existence of these two massive BH systems poses an interesting challenge. Either the gravitational radiation search is not sensitive to massive inspirals or there is some fundamental misunderstanding of stellar evolution physics leading directly to the formation of BH-BH binaries.

연구 동기 및 목표

• IC10 X-1과 NGC300 X-1, 즉 고질량 블랙홀을 수반하는 외성간 X선 이진계의 진화적 운명을 규명하는 것.
• 이 시스템들이 필수적으로 밀도가 높고 병합 시간이 짧은 이중 블랙홀 이진계를 형성할 수 있는지 평가하는 것.
• 현재 LIGO/Virgo 기기로 이러한 고질량 BH-BH 병합을 기대할 수 있는 탐지 빈도를 추정하는 것.
• S6 데이터 런에서 이러한 병합이 탐지되지 않았을 경우, 이 시스템의 존재가 현재의 별진화 모델이나 중력파 탐지 이론에 어떤 영향을 미치는지 평가하는 것.

제안 방법

• 질량 이 trasfer와 각운동량 손실에 중점을 두고, 별진화 코드를 사용하여 IC10 X-1과 NGC300 X-1의 이진계 진화를 모델링하는 것.
• WR 병렬체가 로치 로브 내에 남아 있고 불안정한 과도한 질량 유출을 피하는지 확인함으로써 질량 이 trasfer의 안정성을 평가하는 것.
• 고질량 손실률 조건에서도 두 번째 블랙홀 형성의 생존 가능성을 평가하는 것, 즉 별풍에 의한 질량 손실의 영향을 평가하는 것.
• 성질적 충격 힘의 이중계에 미치는 영향을 시뮬레이션하여, 이중계가 빠른 궤도 분리로 인해 유지를 유지함을 보여주는 것.
• 중력파 병합 시간과 치르프 질량 계산을 사용하여, 200 Mpc 범위 내에서 LIGO/Virgo로의 탐지 가능성 추정하는 것.
• 통계적 방법을 적용하여, 두 시스템의 존재를 바탕으로 99% 신뢰수준에서 병합 탐지 빈도의 하한 및 상한을 유도하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IC10 X-1과 NGC300 X-1은 수십만 년 내에 밀접한 이중 블랙홀 이진계로 진화할 수 있는가?
• RQ2 WR 병렬체의 질량 손실이나 성질적 충격 힘으로 인해 두 번째 블랙홀 형성이 방지될 수 있는가?
• RQ3 결과적으로 형성되는 BH-BH 이진계의 예상 병합 시간스케일과 치르프 질량은 무엇인가?
• RQ4 현재 LIGO/Virgo 기기로 이러한 고질량 BH-BH 병합을 기대할 수 있는 탐지 빈도는 얼마인가?
• RQ5 S6 런에서 이러한 시스템이 탐지되지 않았을 경우, 이는 현재의 별진화 모델이나 중력파 탐지 이론에 어떤 도전을 제기하는가?

주요 결과

• IC10 X-1과 NGC300 X-1는 안정적인 질량 이 trasfer와 최소한의 교란으로 인해 ≤0.3 Myr 이내에 밀접한 이중 블랙홀 이진계를 형성할 것이다.
• 결과적으로 형성되는 BH-BH 이진계는 약 3 Gyr의 병합 시간스케일과 약 15 M☉의 치르프 질량을 가질 것이다.
• 이중계는 매우 낮은 궤도 분리로 인해 큰 성질적 충격 힘에도 불구하고 유지를 유지할 것이다.
• 이러한 고질량 BH-BH 병합의 경험적 탐지 빈도는 99% 신뢰수준에서 연간 100회당 R = 3.36⁺⁸.²⁹₋₂.⁹²로 추정된다.
• S6 런에서 이러한 병합이 탐지되지 않으면, 현재 중력파 기기들이 고질량 병합에 민감하지 않거나, 별진화 모델에 근본적인 수정이 필요하다는 것을 암시한다.
• 2 Mpc 이내에 이러한 두 시스템이 존재한다는 사실은 현재 LIGO/Virgo 감도로 고질량 BH-BH 병합을 탐지할 가능성이 높다는 것을 강력히 뒷받침한다.