[논문 리뷰] NGC 1850 BH1 is another stripped-star binary masquerading as a black hole

Kareem El-Badry, Kevin B. Burdge|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 15.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 28인용 수 59

한 줄 요약

논문은 이전에 11 M⊙ 초순백색왜성 후보로 제안된 NGC 1850 BH1이 실제로는 5.04일 궤도를 도는 1 M⊙ 내외의 낙엽성 저질량 항성과 정상 주계열성 동반성(2.5–5 M⊙)을 지닌 거대 이중성계임을 주장한다. 이 재해석은 별의 낮은 밀도—타원형 변화와 궤도 주기를 통해 유추되며, 5 M⊙ 하위거성과는 일치하지 않으며 블랙홀을 도입하지 않고도 시스템을 설명할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We show that the radial velocity-variable star in the black hole candidate NGC 1850 BH1 cannot be a normal $\approx 5\,M_{\odot}$ subgiant, as was proposed, but is an overluminous stripped-envelope star with mass $\approx 1 M_{\odot}$. The result follows directly from the star's observed radius and the orbital period -- density relation for Roche lobe-filling stars: the star's density, as constrained by the observed ellipsoidal variability, is too low for its mass to exceed $\approx 1.5\,M_{\odot}$. This lower mass significantly reduces the implied mass of the unseen companion and qualitative interpretation of the system, such that a normal main-sequence companion with mass $(2.5-5)\,M_{\odot}$ is fully consistent with the data. We explore evolutionary scenarios that could produce the binary using MESA and find that its properties can be matched by models in which a $\sim5\,M_{\odot}$ primary loses most of its envelope to a companion and is observed in a bloated state before contracting to become a core helium burning sdOB star. This is similar to the scenario proposed to explain the binaries LB-1 and HR 6819. Though it likely does not contain a black hole, NGC 1850 BH1 provides an interesting test case for binary evolution models, particularly given its membership in a cluster of known age.

연구 동기 및 목표

• 이전에 11 M⊙ 블랙홀로 추정된 NGC 1850 BH1의 은둔된 동반성의 성격을 재평가한다.
• 관측된 반지름과 궤도 주기를 바탕으로, 복사속도 변화를 보이는 별이 정상적인 5 M⊙ 하위거성일 것이라는 가정을 도전한다.
• 광도 및 스펙트럼 데이터가 블랙홀이 아닌 정상 주계열성 동반성과 일치하는지 평가한다.
• 근접한 이중성계에서 팽창된 저질량 낙엽성 항성(헬륨 핵을 가진 별)을 생성할 수 있는 진화 경로를 조사한다.
• 은하단의 알려진 연령을 이용해 기여자 별의 초기 질량를 제약하고 이중성 진화 모델을 검증한다.

제안 방법

• 로치 로브에 가득 찬 별의 궤도 주기-밀도 관계를 적용하여 타원형 변화 진폭에서 기여자 별의 밀도를 추정한다.
• HST/WFC3 광도 측정과 MIST 등수선을 사용하여 기여자 별의 표면온도, 반지름, 질량을 확보하며, 흡수와 금속성도를 고려한다.
• MESA를 사용하여 시스템의 진화를 모델링하며, 초기 질량가 4.8 M⊙와 3 M⊙, 初기 궤도 주기가 5일인 알고르 타입 이중성에서 질량 이동을 시뮬레이션한다.
• 관측된 궤도 주기, 기여자 별 반지름, 질량 함수가 정상 주계열성 동반성과 일치하는지 검증한다.
• 광도 및 스펙트럼 측정에 영향을 줄 수 있는 해소되지 않은 밝은 동반성의 영향을 평가한다.
• LB-1과 HR 6819와 유사하게 잘못 분류된 블랙홀 후보와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NGC 1850 BH1의 관측된 복사속도 변화와 타원형 밝기 변화는 5 M⊙ 하위거성이 아닌 저질량 낙엽성 항성으로 설명될 수 있는가?
• RQ2 로치 로브가 넘치는 조건에서 기여자 별의 관측 반지름과 궤도 주기를 바탕으로 가능한 최대 질량는 얼마인가?
• RQ3 정상 주계열성 동반성(2.5–5 M⊙)은 관측된 질량 함수, 복사속도 진폭, X선 방출 부재와 일치하는가?
• RQ4 5일 이중성계에서 팽창된 저질량 헬륨 핵을 가진 항성(he-core burning)을 생성할 수 있는 진화 경로는 무엇인가?
• RQ5 LB-1과 유사한 시스템인 NGC 1850 BH1은 왜 방출선을 보이지 않으며, 이는 질량 이동과 스핀업에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• NGC 1850 BH1의 기여자 별은 반지름 5.8 ± 0.3 R⊙를 가지며, 이는 5 M⊙ 하위거성과는 일치하지 않는 너무 낮은 밀도를 암시한다.
• 반지름과 궤도 주기를 바탕으로 기여자 별의 질량은 약 1 M⊙로 제약되며, 이는 정상 하위거성 진화와는 일치하지 않는다.
• 추정되는 동반성 질량는 (2.5–5) M⊙로 감소하여 정상 주계열성과 완전히 일치하며, 11 M⊙ 블랙홀의 가능성은 배제된다.
• MESA 시뮬레이션은 4.8 M⊙ 주성에서 일관된 질량 이동을 통해 대부분의 외층을 잃고 팽창된 저질량 헬륨 핵을 가진 주계열성 이하의 별(sdOB)로 전환됨을 보여준다.
• 이 시스템의 성질은 블랙홀이 아닌 질량 이동 이후의 이중성계로 설명되며, LB-1과 HR 6819와 유사한 상태이지만 감지 가능한 디스크나 방출선이 없다.
• X선 방출 부재는 비흡수 동반성과 일치하며, 방출선 부재는 부족한 스핀업 또는 일시적인 디스크로 인한 것으로 보인다.