[論文レビュー] High Mass X-ray Binaries: Future Evolution and Fate

Krzysztof Belczyński, T. Bulik+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2012

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、高質量X線連星（HMXB）がブラックホール-中性子星（BH-NS）およびブラックホール-ブラックホール（BH-BH）系の前身星として今後の進化を遂げるかどうかを調査し、大多数がヘリウム核を伴う共通エンvelope合体を経て、長期間持続するガンマ線バースト（GRB）の前身星を形成すると判明した。研究では、銀河系におけるヘリウム合体GRBの発生率を6–18 Myr⁻¹と推定し、近い距離でこのようなGRBが地球の最近の質量絶滅を引き起こした可能性は10–20%であると示唆している。

ABSTRACT

BH-NS and BH-BH systems are among the most promising gravitational wave sources detectable by advanced LIGO/VIRGO and the Einstein Telescope. Although the rates of these systems may be above those of NS-NS mergers, BH-NS and BH-BH systems are difficult to detect, and thusfar none have been observed. But the progenitors of BH-NS and BH-BH binary systems may have been observed, in the form of High-Mass X-ray Binaries (HMXBs). In this paper, we continue work studying these potential progenitors of these important gravitational wave sources. In the first two papers of the series, we have demonstrated that IC10 X-1 and NGC300 X-1 are direct progenitors of BH-BH systems and that Cyg X-1 may form, alas with a very low probability, a BH-NS system. Here, we analyze the Galactic binaries GX 301-2, Vela X-1, XTEJ1855-026, 4U1907+09, Cir X-1 and extra-galactic LMC X-1, LMC X-3, M33 X-1. In each case, we find that the future evolution will not allow the formation of a BH-NS nor a BH-BH system. Most of these binaries will soon merge in the common envelope phase, with a compact object sinking into a helium-rich core of a stellar companion. This "helium-merger" may be a progenitor for long duration gamma-ray bursts (GRBs). Based on the observed HMXB population, the rate of helium-mergers may make up a sizable fraction of long-duration GRBs. Due to this high number of potential GRB progenitors, a chance that a Galactic HMXB has caused one of the recent major mass extinction events is significant (10-20%).

研究の動機と目的

• 既知の高質量X線連星（HMXB）がブラックホール-中性子星（BH-NS）またはブラックホール-ブラックホール（BH-BH）系に進化できるかどうかを特定すること。
• パラメータが明確に制約された銀河系および銀河外HMXBの運命を評価し、重力波源の前身星としての可能性を検討すること。
• 共通エンvelope進化を経て形成されるヘリウム合体イベントが、長期間持続するガンマ線バースト（GRB）を生じる役割を評価すること。
• ヘリウム合体GRBの銀河系発生率を推定し、地球の生物圏、特に質量絶滅イベントへの影響を評価すること。

提案手法

• GX 301-2、Vela X-1、XTE J1855-026、4U 1907+09、Cir X-1、LMC X-1、LMC X-3、M33 X-1、IC10 X-1、NGC300 X-1を含む12個のHMXBについて、詳細な二重星進化モデルを実施した。
• 星の進化モデルを用いて、質量の大きな同伴星の寿命とHMXB段階の期間を推定し、コンパクト天体がコア崩壊超新星によって形成されたと仮定した。
• HMXBの寿命を、同伴星の主系列星寿命と中性子星形成までの最小時間（約5 Myr）の差として計算した。
• HMXB寿命の逆数の和を用いて、ヘリウム合体GRBの銀河系形成率を推定し、不完全な調査体積（ディスクの25%）を補正した。
• 直接のGRB衝撃の発生率を推定するため、ビーミング補正（約500倍）と空間的影響範囲の縮小（約80倍）を適用した。
• 観測的制約と理論的モデルを用いて、地球の45億年の歴史の間に近接するGRBが質量絶滅を引き起こす確率を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既知のHMXBが標準的な二重星進化を経てBH-NSまたはBH-BH系に進化できるか？
• RQ2 GX 301-2、Vela X-1、LMC X-3などのHMXBが共通エンベロープ進化を経てどのように運命を遂げるか？
• RQ3 HMXBの前身星から生じるヘリウム合体GRBの銀河系発生率はどの程度か？
• RQ4 近接するヘリウム合体GRBが地球の最近の質量絶滅の原因であった可能性はどれくらいか？
• RQ5 観測されたHMXB集団から、地球に到達するGRBの真の発生率を推定するにはどのような補正が必要か？

主な発見

• GX 301-2、Vela X-1、XTE J1855-026、4U 1907+09、その他の多数のHMXBは、ヘリウムを豊富に含む同伴星と共通エンベロープ進化を経て合体し、ヘリウム合体系を形成すると判明した。
• HMXBの寿命と調査体積補正を基に、ヘリウム合体GRBの銀河系発生率は6–18 Myr⁻¹と推定された。
• ビーミング補正と空間的影響範囲補正を適用した後、地球に直接到達するGRBの発生率は0.15–0.45 Gyr⁻¹と推定された。
• 地球の45億年の歴史において、この推定は0.65–2.0件の直接的衝撃を示唆し、最近の質量絶滅を引き起こす確率は7.2–22%に相当する。
• IC10 X-1、NGC300 X-1、Cyg X-1のみがBH-BHまたはBH-NS系の前身星として有望であるが、それ以外の研究対象HMXBは、このような密な二重星系の形成には適さない。
• GX 301-2の貢献が発生率推定の中心を占めるが、質量獲得によりHMXB寿命が3 Myrに延長された場合、発生率は1.5 Myr⁻¹に低下するが、体積補正後も依然として6–18 Myr⁻¹の範囲内に収まる。