[论文解读] A Sample of Neutron Star and Black Hole Binaries Detected through Gaia DR3 Astrometry

Jeff J. Andrews, K. Taggart+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 12

一句话总结

本研究利用盖亚DR3的天体测量运动，识别出24个具有大质量暗淡伴星（1.35–2.7 M☉）的长周期双星系统，强烈表明其为中子星或黑洞。低轨道速度（≤20 km s⁻¹）表明至少部分大质量中子星以低新生冲量形成，这挑战了中子星形成冲量的标准模型。

ABSTRACT

With its exquisite astrometric precision, the latest Gaia data release includes $\sim$$10^5$ astrometric binaries, each of which have measured orbital periods, eccentricities, and the Thiele-Innes orbital parameters. Using these and an estimate of the luminous stars' masses, we derive the companion stars' masses, from which we identify a sample of 24 binaries in long period orbits ($P_{ m orb}\sim{ m yrs}$) with a high probability of hosting a massive ($>$1.4 $M_{\odot}$), dark companion: a neutron star (NS) or black hole (BH). The luminous stars in these binaries tend to be F-, G-, and K-dwarfs with the notable exception of one hot subdwarf. Follow-up spectroscopy of eight of these stars shows no evidence for contamination by white dwarfs or other luminous stars. The dark companions in these binaries span a mass range of 1.35-2.7 $M_{\odot}$ and therefore likely includes both NSs and BHs without a significant mass gap in between. Furthermore, the masses of several of these objects are $\simeq$1.7 $M_{\odot}$, similar to the mass of at least one of the merging compact objects in GW190425. Given that these orbits are too wide for significant mass accretion to have occurred, this sample implies that some NSs are born heavy ($\gtrsim$1.5 $M_{\odot}$). Additionally, the low orbital velocities ($\lesssim$20 km s$^{-1}$) of these binaries requires that at least some heavy NSs receive low natal kicks, otherwise they would have been disrupted during core collapse. Although none will become gravitational wave sources within a Hubble time, these systems will be exceptionally useful for testing binary evolution theory.

研究动机与目标

• 利用盖亚DR3天体测量数据，识别宽轨道中的中子星和黑洞双星。
• 通过轨道参数分析，确定这些系统中暗伴星的质量。
• 通过评估大质量中子星的新生冲量速度，检验双星演化模型。
• 通过后续光谱观测，排除白矮星或其他发光伴星的污染。
• 评估这些系统未来进行电磁波和引力波后续观测的潜力。

提出的方法

• 利用盖亚DR3天体测量解，测量10⁵个天体测量双星的轨道参数（周期、偏心率、蒂勒-英尼斯元素）。
• 根据光谱类型估算发光恒星质量，并通过开普勒轨道建模推导伴星质量。
• 应用质量函数分析推断伴星质量，识别出伴星质量为1.35–2.7 M☉的系统。
• 对八个系统进行后续光谱观测，以排除白矮星或双星伴星的污染。
• 通过轨道速度评估新生冲量大小，并与理论预期进行比较。
• 使用统计和天体物理一致性检验，验证中子星或黑洞的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过盖亚DR3天体测量检测到的宽轨道双星中，暗伴星的质量分布如何？
• RQ2 如这些系统的轨道速度所示，大质量中子星（≥1.5 M☉）是否确实接收低新生冲量？
• RQ3 观测到的轨道参数能否排除白矮星或棕矮星等替代伴星的可能性？
• RQ4 这些系统是否与标准双星演化模型一致，特别是关于致密天体形成方面？
• RQ5 这些系统未来在电磁波或引力波探测方面具有何种潜力？

主要发现

• 本研究识别出24个长周期双星（P_orb ~ 年），其暗伴星质量为1.35–2.7 M☉，强烈表明其为中子星或黑洞。
• 轨道速度≤20 km s⁻¹，显著低于典型中子星新生冲量速度（约265 km s⁻¹），表明大质量中子星的新生冲量较低。
• 伴星质量分布显示中子星与黑洞之间无显著间隙，暗示可能存在大质量中子星的形成。
• 对八个系统的后续光谱观测未发现白矮星或其他发光组分污染的证据。
• 这些系统轨道太宽，无法发生显著质量转移，表明伴星的高质最为原始质量，而非吸积形成。
• 结果表明，至少部分大质量中子星（≥1.5 M☉）以低新生冲量形成，挑战了标准超新星爆发模型。