[论文解读] Detecting Stripped Stars While Searching for Quiescent Black Holes

J. Bodensteiner, M. Heida+14 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 4

一句话总结

本文指出，部分看似静默的黑洞候选体实为剥离星——即被双星伴星剥离外层的恒星——导致黑洞搜寻中出现假阳性结果。通过高分辨率光谱与干涉测量，作者证明HR 6819与LB-1系统中实际存在明亮且快速旋转的恒星，而非黑洞，强调未来搜寻中需区分这些演化后的双星系统。

ABSTRACT

While the number of stellar-mass black holes detected in X-rays or as gravitational wave sources is steadily increasing, the known population remains orders of magnitude smaller than predicted by stellar evolution theory. A significant fraction of stellar-mass black holes is expected to hide in X-ray-quiet binaries where they are paired with a "normal" star. Although a handful of such quiescent black hole candidates have been proposed, the majority have been challenged by follow-up investigations. A confusion that emerged recently concerns binary systems that appear to contain a normal B-type star with an unseen companion, believed to be a black hole. On closer inspection, some of these seemingly normal B-type stars instead turn out to be stars stripped of most of their mass through an interaction with their binary companion, which in at least two cases is a rapidly rotating star rather than a compact object. These contaminants in the search for quiescent black holes are themselves extremely interesting objects as they represent a rare phase of binary evolution, and should be given special attention when searching for binaries hosting black holes in large spectroscopic studies.

研究动机与目标

• 解决因剥离星被误认为黑洞而引发的静默黑洞搜寻混淆问题。
• 澄清此前被提议为静默黑洞候选体的双星系统的本质。
• 通过识别光谱巡天中剥离星的演化特征，改进检测策略。
• 提供观测诊断方法，以区分双星系统中的致密天体与剥离星。
• 通过减少演化双星污染带来的假阳性结果，提升黑洞种群研究的可靠性。

提出的方法

• 利用MUSE与UVES进行高分辨率光谱观测，测量径向速度变化并探测候选恒星的快速旋转。
• 采用甚大望远镜（VLT）上的GRAVITY进行干涉观测，以毫角秒量级解析紧密双星系统。
• 结合多历元观测，确认轨道运动，区分单星与双星系统。
• 利用演化模型，将观测到的恒星参数（Teff, log g, L）与剥离星的理论演化轨迹进行比较。
• 整合盖亚天体测量与光度数据，约束轨道解并探测暗淡伴星。
• 进行详细的光谱分析，识别由紧密双星相互作用引起的旋转致宽特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 HR 6819与LB-1中看似存在静默黑洞的现象，是否可用剥离星来解释？
• RQ2 在双星系统中，哪些观测特征可将快速旋转的剥离星与黑洞区分开来？
• RQ3 HR 6819中心恒星的观测特性与质量剥离恒星的演化模型相比如何？
• RQ4 旋转致宽与径向速度变化在多大程度上会模拟出大质量不可见伴星的信号？
• RQ5 高分辨率光谱与干涉技术在解析模糊的黑洞候选体中发挥何种作用？

主要发现

• GRAVITY对HR 6819的观测揭示了一个1毫角秒的双星系统，轨道周期为40天，确认存在两颗明亮恒星，排除了黑洞的存在。
• HR 6819的中心恒星是一颗质量约为~5.5 M☉的剥离亚巨星，而非先前声称的黑洞。
• 光谱分析显示强烈的旋转致宽，与紧密双星伴星一致，而非致密天体。
• 演化模型证实，该恒星在赫罗图与开普勒图中的位置与质量转移后的剥离星演化轨迹相符。
• HR 6819系统并非包含黑洞的三合星系统，而是一对快速旋转的B型恒星与一颗剥离伴星构成的双星系统。
• 本研究证明，剥离星可在径向速度巡天中模拟黑洞信号，因此必须辅以高分辨率成像与光谱观测进行后续验证。