[논문 리뷰] Importance of stable mass transfer and stellar winds for the formation of gravitational wave sources

Andris Dorozsmai, Silvia Toonen|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 18.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 인구합성에 의한 중력파 방출 이중 블랙홀 형성 과정에서 질량 이동 안정성과 항성 바람 규정에 대한 불확실성이 미치는 영향을 조사한다. 질량 이동 효율성과 각운동량 손실이 안정적 질량 이동 또는 공통-envelope 진화가 지배하는 데 결정적인 영향을 미치는 반면, 항성 바람은 극단적인 가정이 결합되지 않는 한 융합 이중 블랙홀 질량에 미치는 영향이 미미하다는 것을 발견한다.

ABSTRACT

The large number of gravitational wave (GW) detections have revealed the properties of the merging black hole binary population, but how such systems are formed is still heavily debated. Understanding the imprint of stellar physics on the observable GW population will shed light on how we can use the gravitational wave data, along with other observations, to constrain the poorly understood evolution of massive binaries. We perform a parameter study on the classical isolated binary formation channel with the population synthesis code SeBa to investigate how sensitive the properties of the coalescing binary black hole population are on the uncertainties related to first phase of mass transfer and stellar winds. We vary five assumptions: 1 and 2) the mass transfer efficiency and the angular momentum loss during the first mass transfer phase, 3) the mass transfer stability criteria for giant donors with radiative envelopes, 4) the effective temperature at which an evolved star develops a deep convective envelope, and 5) the mass loss rates of stellar winds. We find that current uncertainties related to first phase of mass transfer have a huge impact on the relative importance of different dominant channels, while the observable demographics of GW sources are not significantly affected. Our varied parameters have a complex, interrelated effect on the population properties of GW sources. Therefore, inference of massive binary physics from GW data alone remains extremely challenging, given the large uncertainties in our current models.

연구 동기 및 목표

• 고립된 이중성 진화를 통한 융합 이중 블랙홀 형성에 영향을 미치는 불확실한 항성 물리학—특히 질량 이동 안정성과 항성 바람 규정—의 영향을 평가하기 위해.
• 핵심 물리적 매개변수의 변동이 다양한 형성 채널(예: 안정적 질량 이동 대 비공통-envelope 진화) 간 상대적 지배성에 어떻게 영향을 미치는지 규명하기 위해.
• 모델의 불확실성에도 불구하고 현재 중력파 관측이 이해하기 어려운 이중성 진화 물리학을 제약할 수 있는지 평가하기 위해.
• 중력파 데이터로부터 이중성 물리학에 대한 제약을 향상시킬 수 있는 관측 진단법(예: WR-O/B 이중성)을 특정하기 위해.

제안 방법

• 다양한 질량 이동 및 항성 바람 물리학에 대한 가정을 포함한 고립된 이중성 진화를 시뮬레이션하기 위해 SeBa 인구합성 코드를 사용하였다.
• 다섯 가지 핵심 매개변수를 체계적으로 변형하였다: 질량 이동 효율성, 첫 번째 질량 이동 동안의 각운동량 손실, 복사성 막대를 가진 거대한 기부자에 대한 안정성 기준, 깊은 대류 막대 형성에 대한 효과적 온도, 항성 바람 질량 손실률.
• 이중성 시스템의 질량 이동 단계, 공통-envelope 탈출, 중력파 방출을 통한 최종 블랙홀 융합에 이르는 진화를 추적하였다.
• 입력 불확실성에 대한 민감도를 평가하기 위해 다양한 모델 변형 간의 융합률과 블랙홀 질량 분포를 비교하였다.
• 기존의 WR-O/B 이중성 관측 제약을 활용하여 모델 예측을 검증하고 매개변수 공간 탐색에 정보를 제공하였다.
• 각 매개변수가 안정적 질량 이동 대비 공통-envelope 진화 채널에 미치는 영향을 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 첫 번째 질량 이동 단계 동안 각운동량 손실 방식(γ = 1 대비 2.5)의 선택이 안정적 질량 이동 채널 대 비공통-envelope 진화 채널 간 상대적 지배성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 거대 기부자에서의 질량 이동 안정성 기준(ζ_ad,rad로 정의됨)이 이중 블랙홀 융합률에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ3 특히 선형 구동 및 LBV 바람의 경우, 항성 바람 질량 손실률의 변동이 중력파 소스의 질량과 융합률에 얼마나 민감하게 반영되는가?
• RQ4 관측된 WR-O/B 이중성의 특성은 중력파 소스 형성과 관련된 거대 이중성에서의 질량 이동 물리학을 제약하는 데 도움이 될 수 있는가?
• RQ5 다양한 불확실한 매개변수들이 융합 이중 블랙홀의 관측 가능한 민족학적 특성에 미치는 종합적 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 각운동량 손실 모드(γ = 1 대비 2.5)의 선택은 지배적인 형성 채널을 크게 변화시킨다: γ = 2.5는 안정적 질량 이동 채널을 선호하는 반면, γ = 1은 이를 억제하고 공통-envelope 진화 채널을 강화한다.
• 안정성 기준 ζ_ad,rad를 4에서 7.5로 증가시키면 저질량 이중 블랙홀(M_BH ≤ 20 M☉)의 융합률이 크게 증가하지만, 저금속도 환경에서 질량 비율 제한으로 인해 고질량 시스템에는 거의 영향을 미치지 않는다.
• 선형 구동 바람 질량 손실률을 3배 감소시키면 고립된 블랙홀의 질량은 증가하지만, 막대 제거 후 월프레이저 단계에서 질량 손실가 증가함에 따라 융합 이중 블랙홀 질량에 미치는 영향은 거의 없어진다.
• LBV 바람 질량 손실률이 약 10⁻³ M☉ yr⁻¹ 이상이면 공통-envelope 채널이 완전히 억제되며, 질량 손실이 조밀한 이중성을 형성하지 못하게 하여 효율적인 CEE를 방지하기 때문이다. 반면 안정적 채널은 빠른 막대 제거로 인해 영향을 받지 않는다.
• 안정적 질량 이동 채널이 지배적이 되기 위해서는 높은 질량 이동 효율성과 높은 각운동량 손실(γ = 2.5)의 특정 조합이 필요하며, 이는 모델 매개변수 간 강한 상호의존성을 강조한다.
• 질량 이동 및 바람 규정의 복잡하고 비선형적인 상호작용으로 인해 중력파 데이터만으로 거대 이중성 물리학을 추론하는 것은 여전히 매우 어렵다.