[논문 리뷰] On the formation of exotic, massive, stellar-remnant black holes at solar and sub-solar metallicities through evolution of massive binaries

Sambaran Banerjee|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 12.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 태양 금속성에서 50–80 M☉, 별개의 은하단 유사 금속성에서 최대 100 M☉의 극히 거대한 별 기원 블랙홀의 형성에 대해 이원성 진화를 통해 연구한다. 특히 블랙홀 토른-지티코 물체(BH-TZO)의 질량 축적을 중심으로 다룬다. 업데이트된 BSE 인구합성 모델을 사용하여, 이러한 거대한 블랙홀 형성에는 이원성 병합에서 생성된 저질량 블랙홀에 대해 70% 이상의 축적 효율이 필요하며, 유체역학적 모델링의 부족으로 인해 스핀 성질은 여전히 추측 수준임을 밝혀낸다.

ABSTRACT

The recent inference of a 70M_sun black hole (BH) in the Galactic, detached binary LB-1 has sparked cross-disciplinary debate since a stellar remnant of such large mass is well above what can be expected from stellar-evolutionary theory, especially in an enriched environment like that of the Milky Way. This study focusses on the possibilities of formation of extraordinarily massive BHs at solar and globular cluster (GC)-like metallicities via evolution of massive stellar binaries. A population-synthesis approach is followed utilizing the recently updated BSE program. BHs in the mass range of 50M_sun-80M_sun could be formed at the solar metallicity only if a large fraction, >70%, of matter is allowed to accrete onto a low-mass BH, in a BH-star merger product (a "black hole Thorne-Zytkow object"; BH-TZO). Their counterparts at GC-like metallicities can reach 100 M_sun. Although post-accretion BHs can, generally, be expected to be of high spin parameter, they can potentially be of low spin in the case of a BH-TZO. This spin aspect remains speculative in this work and deserves detailed hydrodynamic studies.

연구 동기 및 목표

• 태양 금속성 환경에서 표준 별 진화 예측을 초월하는 극히 거대한 별 기원 블랙홀(50–80 M☉)의 형성 경로를 조사하기 위해.
• 이원성 병합 잔여물에서 블랙홀 토른-지티코 물체(BH-TZO)의 질량 축적이 이러한 거대한 블랙홀을 생성할 수 있는지 평가하기 위해.
• 은하단 유사 금속성(Z = 0.001)에서 유사한 메커니즘을 통해 100 M☉의 블랙홀 형성이 가능한 조건을 탐색하기 위해.
• 특히 높은 축적에도 불구하고 낮은 스핀을 유지할 가능성이 있는 블랙홀 토른-지티코 시스템에서의 후속 축적 블랙홀 스핀 성질을 검토하고 평가하기 위해.
• 장거리 이원성 진화 또는 은하단 내에서의 역학적 교환을 통해 형성된 LB-1 이원계(70 M☉ 블랙홀 + B형 항성)의 역학적 타당성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 다양한 금속성(Z = Z☉ 및 Z = 0.05Z☉)에서 10⁴개의 거대 이원성을 모델링하기 위해 업데이트된 BSE 이원성 진화 코드를 사용한 인구합성 시뮬레이션.
• 블랙홀 토른-지티코 물체(BH-TZO) 축적 모델의 통합: 별-별 병합에서 생성된 블랙홀이 둘러싸인 별의 대기로부터 질량을 축적하며, 가변적인 축적 효율(f_TZ)을 고려.
• F12-빠른 및 F12-지연된 잔여물 형성 모델을 Belczynski 등(2016)의 PPSN/PSN 모델과 결합하여 블랙홀 및 중성자별 잔여물 질량을 결정.
• 공통 대류 탈출(조정 가능한 α 효율성 포함), 질량 이동, 바람 질량 손실 등의 주요 이원성 진화 과정을 포함하며, 금속성에 따라 조정된 규정을 적용.
• 다양한 축적 및 병합 파rameter에서 ZAMS 질량-잔여 질량 관계를 분석하여 극단적인 블랙홀 질량 형성 조건을 규명.
• 관측된 LB-1 블랙홀 질량(68⁺¹¹₋₁₃ M☉)과 궤도 파rameter를 결과와 비교하여 형성 시나리오의 일관성을 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양 금속성에서 이원성 병합 잔여물의 블랙홀 토른-지티코 물체(BH-TZO) 축적이 50–80 M☉의 블랙홀을 생성할 수 있는가?
• RQ2 태양 금속성 이중성에서 이러한 거대한 블랙홀 형성에 필요한 축적 효율(f_TZ)은 얼마인가?
• RQ3 유사 은하단 금속성(Z = 0.001)에서 동일한 BH-TZO 축적 모델 하에서 블랙홀 질량은 어떻게 비교되는가?
• RQ4 BH-TZO 축적을 통해 형성된 블랙홀의 기대 스핀 성질은 무엇이며, 표준 디스크 축적 시나리오와 어떻게 다를까?
• RQ5 LB-1 이원계(70 M☉ 블랙홀 + B형 항성)는 표준 장거리 이원성 진화로 타당하게 형성될 수 있는가, 아니면 은하단 내에서의 역학적 기원이 필요한가?

주요 결과

• 태양 금속성(Z = 0.02)에서 50–80 M☉의 블랙홀 질량은 BH-TZO 구조에서 저질량 블랙홀에 대해 가용 질량의 70% 이상이 축적되어야만 형성 가능하다.
• 은하단 유사 금속성(Z = 0.001)에서는 BH-TZO 축적이 약 100 M☉까지의 블랙홀을 생성할 수 있으며, 이는 표준 단일 별 진화 한계를 크게 초월한다.
• BH-TZO 축적이 없을 경우, Z = 0.02에서 최대 블랙홀 질량은 약 40 M☉, Z = 0.001에서는 약 80 M☉에 이르며, 주로 후기의 별-별 또는 이중 블랙홀 병합을 통해 형성된다.
• BH-TZO 시스템에서의 후속 축적 블랙홀 스핀은 표준 축적 디스크가 없기 때문에 낮을 수 있으나, 이는 여전히 추측 수준이며 일반 상대론 기반 유체역학 모델링이 필요하다.
• LB-1의 거의 원형 궤도는 표준 장거리 이원성 진화에 도전을 안기며, 블랙홀 원자별이 궤도 분리보다 넓게 팽창했을 가능성이 높기 때문에, 은하단 내에서의 역학적 교환과 같은 대체 형성 경로가 필요하다.
• 낮은 질량의 열린 은하단 또는 은하단 내에서의 교환을 통한 역학적 형성은 이러한 이중성을 생성할 수 있으나, 관측된 낮은 이심률을 만족시키기 위해 후속 원형화 과정이 필요하다.