[논문 리뷰] Metallicity dependence of black hole main sequence binaries detectable with Gaia

Tomoya Kinugawa, Masaki Yamaguchi|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 23.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 은하수에서 블랙홀-주계열성(BH-MS) 이중성을 이진계 인구 합성 기법을 사용해 모델링하며, 태양 금속성(Z⊙)에서 200–400개, 0.1Z⊙에서 70–400개의 시스템을 가우아가 탐지할 수 있음을 보여준다. 주계열성 동반성의 금속성이 분광학적 후속 관측을 통해 블랙홀 형성의 금속성 의존성을 조사할 수 있으며, 금속 빈도가 낮은 별을 포함한 원천 인구에 대한 직접적인 관측적 검증을 가능하게 한다.

ABSTRACT

LIGO has detected gravitational waves from massive binary black hole mergers. In order to explain the origin of such massive stellar-mass black holes, extreme metal poor stars including first stars have been invoked. However, black holes do not carry information of the metallicity. In order to check the metallicity dependence of the black hole formation, we focus on galactic black hole-main sequence binaries (BH-MSs). Using a binary population synthesis method, we find that $\gaia$ can detect $\sim200-400$ BH-MSs whose metallicity is $\zsun$ and $\sim70-400$ BH-MSs whose metallicity is $0.1\zsun$. With the spectroscopic observation on 4-m class telescopes, we can check the metallicity of BH-MSs. The metallicity dependence of the black hole formation might be checked by the astrometry and spectroscopic observations.

연구 동기 및 목표

• 다양한 금속성에서 가우아가 블랙홀-주계열성(BH-MS) 이중성을 얼마나 탐지할 수 있는지 조사하기.
• 가우아의 천체측위 측정과 분광학적 후속 관측을 조합할 경우, 블랙홀 형성의 금속성 의존성을 어떻게 드러낼 수 있는지 평가하기.
• 특히 질량 손실 및 공통 외피 단계에 민감한 금속성에 따라 조정된 이중성 진화 규정을 사용하여 BH-MS 이중성 인구를 모델링하기.
• 실제 가우아 탐지 한계 조건 하에서 태양 금속성(Z⊙)과 태양 이하 금속성(0.1Z⊙)에서 탐지 가능한 BH-MS 시스템의 수를 정량화하기.

제안 방법

• 금속성과 빛의 세기에 따라 변하는 풍속 손실율을 반영한 수정된 BSE 코드를 사용한 이중계 인구 합성: Ẇ_WR ∝ L^1.5 Z^0.86 및 Ẇ_LBV = 1.5×10⁻⁴ M⊙ yr⁻¹.
• 공통 외피 진화를 통합하며, 에너지가 궤도 감쇠에 의해 방출되어 외피를 탈가시화시키고, 공통 외피 후 분리 거리가 이중성의 생존 여부를 결정함(αλ = 1).
• 초기 질량 함수 f(M₁) ∝ M₁⁻².³⁵ (5–100 M⊙), 균일한 질량비 q ∈ (0.1, 1), 그리고 10⁵개의 시뮬레이션 이중성에 대해 역분리 분포 f(a) ∝ 1/a를 사용함.
• 가우아 탐지 기준 적용: 시차 신호 대 잡음 비율 >10, 한계 등급 G ≈ 20 등급, 주기 범위 50일 < P < 5년으로 가우아의 주기적 관측 빈도에 맞춤.
• 두 가지 별 형성 모델: 100억 년 동안 일정한 별 형성률을 가지며 Z⊙와 0.1Z⊙ 비율이 동일한 모델(Mix 모델), 시간에 따라 변화하는 금속성을 가진 화학적 진화 모델(ChemiEvo 모델).
• 전체 은하의 BH-MS 인구와 가우아에 의해 탐지 가능한 인구를 비교하여 선택 효과와 금속성에 따른 탐지 편향을 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양 금속성(Z⊙)과 태양 이하 금속성(0.1Z⊙)에서 가우아는 얼마나 많은 블랙홀-주계열성 이중성을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 BH-MS 시스템에서 주계열성 동반성의 금속성이 가우아의 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 4미터 망원경을 사용한 분광학적 후속 관측으로 가우아에 의해 탐지된 BH-MS 시스템의 주계열성 동반성의 금속성을 신뢰성 있게 측정할 수 있는가?
• RQ4 BH-MS 이중성에서 블랙홀 질량 함수의 금속성 의존성은 무엇이며, Z⊙와 0.1Z⊙ 인구 간에 어떻게 다를까?
• RQ5 다른 금속성에서 질량 손실와 공통 외피 진화의 차이가 관측 가능한 BH-MS 시스템의 최종 인구에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 가우아는 태양 금속성(Z⊙)에서 약 200–400개, 0.1Z⊙에서 70–400개의 블랙홀-주계열성 이중성을 탐지할 수 있으며, 이는 별 형성 모델에 따라 달라진다.
• Mix 모델에서 0.1Z⊙에서의 탐지 가능한 BH-MS 이중성 수는 Z⊙에서의 수보다 더 많으며, 이는 저금속성 이중성에서 질량 손실 감소와 공통 외피 융합 확률 감소로 인한 것이다.
• ChemiEvo 모델에서 0.1Z⊙에서의 탐지 가능한 BH-MS 이중성 수는 Z⊙에서의 수보다 6배 적다. 이는 고질량 별의 수명이 짧고 고질량 이중성이 조기에 진화하기 때문이며.
• 가우아에 의해 탐지된 BH-MS 시스템의 블랙홀 질량 분포는 금속성에 명백한 의존성을 보이며, ∼18 M⊙ 이상의 블랙홀은 일반적으로 팝 II 기원으로 추정된다.
• 가우아에 의해 탐지된 시스템의 주계열성 동반성은 낮은 질량의 동반성이 비록 전체 인구에 존재하더라도 너무 어두워서 탐지되지 않기 때문에, 더 높은 질량으로 편향되어 있다.
• 4미터 망원경을 사용한 분광학적 후속 관측은 주계열성 동반성의 금속성을 측정할 수 있으며, 이는 블랙홀의 원천 금속성에 대한 직접적인 추론을 가능하게 한다.