[論文レビュー] 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)|Dec 12, 2019

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、太陽金属量（Z = 0.02）で50–80 M☉、球状星団に類似した金属量（Z = 0.001）で最大100 M☉の極めて巨大な星起源ブラックホールの形成を、二重星進化を用いて調査する。特に、ブラックホール・トールン＝ツィトコフ対象（BH-TZO）の降着に注目し、更新されたBSE集団合成シミュレーションを用いて、低質量ブラックホールに付随する降着効率が70%以上である必要があることを示している。スピン特性については、流体力学的モデルの欠如により、まだ推測にとどまっている。

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.

研究の動機と目的

• 太陽金属量環境における標準的な星の進化予測を上回る、極めて巨大な星起源ブラックホール（50–80 M☉）の形成経路を調査すること。
• 二重星合体の残骸におけるブラックホール・トールン＝ツィトコフ対象（BH-TZO）降着が、このような巨大ブラックホールを生成できるかどうかを評価すること。
• 球状星団に類似した金属量（Z = 0.001）で100 M☉のブラックホールが、同様のメカニズムによって形成可能な条件を調査すること。
• 特に高い降着が行われるにもかかわらず低スピンを示す可能性がある、BH-TZO系におけるブラックホールのスピン特性を検討し、その可能性を評価すること。
• 観測されたLB-1二重星系（70 M☉ブラックホール + B型星）が、場の二重星進化または集団内での動的交換によって形成可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 太陽金属量（Z = Z☉）および低金属量（Z = 0.05Z☉）の異なる金属量で、10⁴個の巨大二重星をモデル化する、更新されたBSE二重星進化コードを用いた集団合成シミュレーション。
• BH-TZO降着モデルの組み込み：星同士の合体によって形成されたブラックホールが、周囲の星の包層から質量を降着するもので、降着効率（f_TZ）を可変として扱う。
• F12-急速およびF12-遅延型の残骸形成モデルを、Belczynskiら（2016）のPPSN/PSNモデルと組み合わせ、ブラックホールおよび中性子星の残骸質量を決定する。
• 共通エンvelopeの放出（調整可能なα効率を有する）、質量転送、および風による質量損失といった主要な二重星進化プロセスを含み、金属量依存のパラメータ設定を採用する。
• 降着および合体パラメータの変動に伴うZAMS質量–残骸質量関係を分析し、極端なブラックホール質量が形成可能な条件を同定する。
• 観測されたLB-1ブラックホール質量（68⁺¹¹₋₁₃ M☉）および軌道パラメータと比較し、形成シナリオの整合性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽金属量（Z = 0.02）環境で、二重星合体の残骸におけるブラックホール・トールン＝ツィトコフ対象（BH-TZO）降着が、50–80 M☉のブラックホールを生成できるか？
• RQ2 太陽金属量の二重星系で、このような巨大ブラックホールを形成するためには、どの程度の降着効率（f_TZ）が必要か？
• RQ3 球状星団に類似した金属量（Z = 0.001）下で、同じBH-TZO降着モデルのもとでブラックホール質量はどの程度になるか？
• RQ4 BH-TZO降着によって形成されたブラックホールの期待されるスピン特性は何か？ また、標準的な円盤降着シナリオとはどのように異なるか？
• RQ5 観測されたLB-1二重星系（70 M☉ブラックホール + B型星）は、場の二重星進化によって自然に形成可能か？ それとも、集団内での動的起源を必要とするか？

主な発見

• 太陽金属量（Z = 0.02）で50–80 M☉のブラックホールが形成可能となるのは、BH-TZO状態の低質量ブラックホールに、利用可能な質量の70%以上が降着される場合に限る。
• 球状星団に類似した金属量（Z = 0.001）では、BH-TZO降着によって最大約100 M☉のブラックホールが形成可能であり、これは標準的な単一星進化の上限を著しく上回る。
• BH-TZO降着がなければ、Z = 0.02で最大約40 M☉、Z = 0.001で最大約80 M☉のブラックホールが形成可能であり、主に遅い段階での星同士の合体または二重ブラックホール合体によるものである。
• BH-TZO系における降着後のブラックホールのスピンは、標準的な降着円盤が存在しないため、低いままである可能性があるが、これはまだ推測にとどまり、GRMHDシミュレーションが必要である。
• LB-1のほぼ円形軌道は、標準的な場の二重星進化にとって課題を呈する。なぜなら、ブラックホールの前身星が軌道半径をはるかに超えて膨張する可能性があるからである。これにより、動的交換による形成経路（例：集団内）が代替的に必要となる。
• 低質量の開放星団または球状星団内での交換による動的形成は、このような二重星系を生成可能であるが、観測された低離心率に一致させるには、その後の軌道円形化が必要となる。