[논문 리뷰] Modeling the outcome of supernova explosions in binary population synthesis using the stellar compactness

Maciej Dabrowny, Nicola Giacobbo외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 67인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 MOBSE 인구합성 코드에 새로운 초신성 모델을 도입하며, 항성 밀도(ζ2.5)를 사용해 블랙홀 및 중성자성 우주에서의 형성을 예측한다. 자유 매개변수로는 블랙홀/중성자성 전이에 대한 밀도 임계값과 재흡착 외피 비율을 포함한다. 주요 결과는 하부 질량 갭의 상한선과 밀도형 이진 시스템의 상대적 형성 비율이 이 모델의 청명한 관측적 서명이며, 각각 재흡착 비율과 밀도 임계값에 주로 민감하다.

ABSTRACT

Following the collapse of their cores, some of the massive binary stars that populate our Universe are expected to form merging binaries composed of black holes and neutron stars. Gravitational-wave observations of the resulting compact binaries can reveal precious details on the inner workings of the supernova mechanism and the subsequent formation of compact objects. Within the framework of the population-synthesis code MOBSE, we present the implementation of a new supernova model that relies on the compactness of the collapsing star. The model has two free parameters, namely the compactness threshold that separates the formation of black holes and that of neutron stars, and the fraction of the envelope that falls back onto the newly formed black holes. We compare this model extensively against other prescriptions that are commonly used in binary population synthesis. We find that the cleanest signatures of the role of the pre-supernova stellar compactness are (i) the relative formation rates of the different kinds of compact binaries, which mainly depend on the compactness threshold parameter, and (ii) the location of the upper edge of the mass gap between the lightest black holes and the heaviest neutron stars, which mainly depends on the fallback fraction.

연구 동기 및 목표

• 이중 인구합성에서 초신성 결과 모델링을 향상시키기 위해, 전초신성 항성 밀도를 뉴트론성과 블랙홀 형성 간의 물리적 기준으로 통합한다.
• 밀도 기반 모델링이 표준 빠른/지연된 초신성 모델과 비교해 중력파 소스 인구에서 명확한 관측 가능 서명을 생성하는지 테스트한다.
• 재흡착 비율과 밀도 임계값이 병합하는 밀집 이진 시스템(BBHs, BHNSs, BNSs)의 형성 비율과 질량 분포에 끼치는 영향을 정량화한다.
• 금속성에 대한 모델 민감도를 평가하고, 거대 블랙홀의 고립형과 천체역학적 형성 채널을 구별하는 데의 함의를 분석한다.

제안 방법

• 핵심 구조의 지표로 사용하기 위해, M = 2.5 M⊙에서 ζ2.5 = M/M⊙ / R(M)/1000 km를 사용하며, CO 질량을 기반으로 校정된 피팅식(ζ2.5 ≈ 0.55 − 1.1 × (MCO / 1 M⊙)⁻¹)을 통해 유도한다.
• 뉴트론성과 블랙홀 형성 간의 구분을 위해 ζ2.5 = 0.365의 임계값을 설정하며, 이는 빠른 모델의 NS에서 BH로의 전이를 일치시키기 위해 校정된다.
• 뉴트론성 질량은 정규분포(μ = 1.33 M⊙, σ = 0.09 M⊙)에서 할당하고, 블랙홀 질량는 초기 질량에서 수소 외피의 재흡착 비율 fH를 뺀 값으로 결정한다.
• 다양한 금속성(Z = 0.0002에서 0.02)과 모델 매개변수(ζ2.5 = 0.2에서 0.4, fH = 0.1에서 0.9) 범위에서 인구합성 시뮬레이션을 수행하며, 허블 시간 내 병합하는 이진 시스템을 추적한다.
• 병합률과 질량 분포 측면에서 표준 빠른 및 지연된 초신성 모델과 비교하여 BBH, BHNS, BNS 시스템 전반에서 결과를 분석한다.
• 하부 질량 갭 경계와 상대적 형성 비율이 두 자유 매개변수, 특히 fH와 ζ2.5에 얼마나 민감한지 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블랙홀/중성자성 형성의 기준으로 항성 밀도(ζ2.5)를 사용할 경우, 인구합성에서 밀집 이진 시스템의 예측 병합률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 중력파 데이터에서 이 밀도 기반 모델을 빠른 모델 및 지연된 초신성 모델과 구별할 수 있는 관측 가능 서명은 무엇인가?
• RQ3 재흡착 비율(fH)과 밀도 임계값(ζ2.5)이 하부 질량 갭 상한선의 위치에 각각 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 금속성과 원형성 질량 함수가 BBH, BHNS, BNS 형성 비율에 대한 모델 예측에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 밀도 기반 모델은 LIGO/Virgo 사건들, 특히 GW190814와 GW190521의 관측된 질량 분포를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 특히 BHNS의 상대적 형성 비율은 블랙홀/중성자성 전이에 대한 밀도 임계값 ζ2.5에 의해 가장 강하게 영향을 받으며, 이는 뉴트론성과 블랙홀 형성 간의 전이 질량을 결정한다.
• 하부 질량 갭 상한선(가장 가벼운 블랙홀과 가장 무거운 중성자성 사이)은 주로 재흡착 비율 fH에 의해 결정되며, 높은 fH일수록 질량 경계가 더 높은 질량 쪽으로 이동한다.
• 모든 금속성에서 이 밀도 모델은 빠른 모델과 지연된 모델보다 더 높은 이중 블랙홀(BBHs) 병합률을 예측한다. 이는 원형성의 질량 함수가 더 무거운 원형성으로 이동하기 때문이다.
• 모델은 다양한 ζ2.5와 fH 값에서 병합하는 이중 중성자성(BNSs)의 분포가 유사하게 나오지만, 빠른 모델은 더 가벼운 중성자성을 만들어내는 경향이 있어 병합 BNS의 수가 적다.
• NS에서 BH로의 전이 임계값을 높일수록(더 높은 ζ2.5), 이 밀도 모델은 빠른 모델이나 지연된 모델보다 BHNS 병합률을 더 강하게 억제한다. 이는 질량이 큰 항성이 뉴트론성을 형성할 때 비대칭 질량 방출로 인한 더 큰 탄도 효과가 작용하기 때문이다.
• 재흡착 비율 fH의 넓은 범위(0.1에서 0.9) 동안 질량 갭 경계와 병합률 예측이 안정적이므로, 하부 질량 갭 상한선은 특히 청명한 관측적 서명이 된다.