[论文解读] Young Star Clusters Dominate the Production of Detached Black Hole-Star Binaries

Ugo N Di Carlo, Poojan Agrawal+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2023

Astronomy and Astrophysical ResearchPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本研究表明，年轻星团（SCs）是银河系中孤立黑洞-恒星（BH-star）双星系统的主要形成渠道，其单位恒星形成效率比孤立双星演化高近40倍。通过N体模拟与群体合成方法，作者预测银河系约20万个BH-star系统中约81%通过星团内的动力学过程形成，其中盖亚BH1和盖亚BH2最可能源于大质量、金属丰度高的星团的动力学过程。

ABSTRACT

The recent discovery of two detached black hole-star (BH-star) binaries from Gaia's third data release has sparkled interest in understanding the formation mechanisms of these systems. We investigate the formation of these systems by dynamical processes in young open star clusters (SCs) and via isolated binary (IB) evolution, using a combination of direct $N$-body models and population synthesis simulations. By comparing dynamical and isolated systems created using the same model of binary stellar evolution, we find that dynamical formation in SCs is nearly 40 times as efficient per unit of star formation at producing BH-star binaries compared to IB evolution. We expand this analysis to the full Milky Way (MW) using a FIRE-2 hydrodynamical simulation of a MW-mass galaxy. Even assuming that only $10\%$ of star formation produces SCs with masses $> 1000\,\mathrm{M_{\odot}}$, we find that the MW contains $\sim 2 imes 10^5$ BH-star systems, with approximately 4 out of every 5 systems being formed dynamically. Many of these dynamically-formed systems have larger orbital periods, eccentricities, and black hole masses than their isolated counterparts. For binaries older than 100 Myr, we show that any detectable system with $e\gtrsim0.5$ or $M_{ m BH}\gtrsim 10\,\mathrm{M_{\odot}}$ can only be formed through dynamical processes. Our MW model predicts between 61 and 210 such detections from the complete DR4 Gaia catalog, with the majority of systems being dynamically formed in massive and metal-rich SCs. Finally, we compare our populations to the recently discovered Gaia BH1 and Gaia BH2, and conclude that the dynamical scenario is the most favorable formation pathway for both systems.

研究动机与目标

• 确定银河系中孤立黑洞-恒星双星的主要形成机制，特别是基于近期盖亚DR3的发现。
• 比较年轻星团（SCs）中动力学形成与孤立双星（IB）演化在产生BH-star系统方面的效率。
• 预测盖亚DR3及未来数据发布中，BH-star双星的本征群体数量与可观测数量。
• 评估盖亚BH1与盖亚BH2的轨道特性是否与孤立双星演化一致，或是否需要动力学形成机制解释。

提出的方法

• 对3,000次年轻开放星团的N体模拟，以模拟星团内动力学形成BH-star双星的过程。
• 使用相同的恒星演化模型，对孤立双星演化进行群体合成模拟，以实现直接对比。
• 利用FIRE-2流体动力学模拟的银河系质量星系，模拟整个银河系的星团群体及其恒星形成历史。
• 基于盖亚的天体测量精度与未来数据发布版本的观测选择函数，标定检测概率。
• 将模拟的轨道参数（周期、偏心率、质量）与实际观测系统（如盖亚BH1与盖亚BH2）进行比较。
• 应用年龄与星等截断条件，估算盖亚DR3及未来数据发布中可观测群体的数量。

Figure 1: The orbital period vs parallax SNR, $\omega/\sigma_{\omega}$ are shown for BH-star binaries formed in clusters (red) and in isolated binaries (blue) from all of our $100$ MW-like simulation realizations. Dots show BH-MS binaries and crosses show BH-Giant binaries. The dashed black like sho

实验结果

研究问题

• RQ1 在形成孤立BH-star双星方面，年轻星团中的动力学形成与孤立双星演化相比，其相对效率如何？
• RQ2 银河系BH-star双星群体中，有多少比例是通过星团内动力学过程形成的？
• RQ3 盖亚BH1与盖亚BH2的轨道参数是否与孤立双星演化一致？是否需要动力学形成机制来解释？
• RQ4 预计在盖亚DR3及未来数据发布中，可探测到多少BH-star双星？主导可观测样本的形成渠道是什么？
• RQ5 哪些观测特征（如高偏心率或大黑洞质量）可作为区分动力学形成与孤立形成双星的可靠指标？

主要发现

• 在单位恒星形成效率方面，年轻星团中的动力学形成机制产生孤立BH-star双星的效率比孤立双星演化高近40倍。
• 银河系估计的约20万个BH-star系统中，约81%通过星团内动力学过程形成，其余19%通过孤立双星演化形成。
• 银河系中存在约20万个本征BH-star双星，其中绝大多数形成于大质量、金属丰度高的年轻星团。
• 盖亚DR3中检测到的全部7个可观测BH-star双星均预测源自动力学通道，未来探测中约83%的系统也将是动力学形成。
• 任何可观测系统若偏心率e ≳ 0.5，或黑洞质量M_BH ≳ 10 M☉，则必定通过动力学过程形成，因此这些特征是动力学起源的强有力指标。
• 盖亚BH1与盖亚BH2最符合动力学形成情景，因其轨道特性与孤立双星演化模型不一致。

Figure 2: Orbital parameters of systems in the intrinsic population. From top to bottom we show the distributions of binary orbital periods, eccentricities, stellar masses $M_{*}$ , and BH masses $M_{\mathrm{BH}}$ , with SC binaries shown in red lines and IB shown in blue lines. Solid lines represen