[论文解读] Accretion Feedback from newly-formed black holes and its implications for LIGO Sources

Aldo Batta, E. Ramírez-Ruiz|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2019

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 15

一句话总结

本文研究了大质量恒星直接塌缩形成原初黑洞（BH）过程中，黑洞吸积反馈对其最终质量与自旋的影响，表明旋转氦星前体的反馈可阻止塌缩，从而降低黑洞的质量与自旋。关键结果表明，该反馈机制可自然解释LIGO事件（如GW150914和GW151226）中观测到的低有效自旋，支持缓慢旋转或潮汐同步前体，而非快速旋转的前体。

ABSTRACT

Most common formation channels of stellar mass black hole (BH) binaries like the ones observed by LIGO, often assume they are assembled from the direct collapse of massive pre-supernova stars. However, it is still unclear whether the final mass and spin of the newly formed BH arises from the collapse of the entire stellar progenitor or just a fraction of it, given that coupling of accretion feedback released during BH formation to the surrounding infalling star will inevitably lead to its ejection. If the BH is built up via disk accretion, outflows from the center will result in residual gas ejection, thus halting the stellar collapse and reducing the amount of mass and spin that can be accreted by the newly formed BH. Here we discuss the general properties of BHs (mass and spin) associated with the collapse of rotating, helium star pre-supernova progenitors. When accretion feedback is included, the BH drives powerful outflows that heat the surrounding envelope, effectively shutting down the collapse. This gives rise to various outcomes ranging from very massive BHs with low spins, as inferred for GW150914, to lighter and faster-spinning BHs, as deduced for GW151226.

研究动机与目标

• . 了解大质量恒星直接塌缩过程中，吸积反馈如何影响恒星级黑洞的最终质量和自旋。
• . 评估角动量与旋转在氦星前体中对反馈效率及黑洞特性的影响。
• . 将观测到的LIGO双黑洞参数（质量与自旋）与包含失败超新星和盘面吸积的形成模型相协调。
• . 评估反馈是否可阻止大质量、快速旋转黑洞的形成，如LIGO事件所推断。
• . 提供一个将反馈物理机制与LIGO源中可观测黑洞特性相联系的框架。

提出的方法

• . 对质量范围为12.9至34.4 M⊙的旋转氦星前体进行直接塌缩模拟，假设其直接坍缩成黑洞。
• . 通过吸积盘的能量沉积建模吸积反馈，采用参数化反馈效率（ϵ = 10⁻²）估算能量向包层的传递。
• . 将广义相对论磁流体动力学（GRMHD）反馈结果应用于估算外流与加热，从而阻止塌缩。
• . 利用潮汐同步时间尺度估算双星系统中的旋转速率（ζ），确保与观测自旋极限一致。
• . 将预测的有效自旋（χeff）与啁啾质量（M）与LIGO的90%可信区间进行比较，以约束形成通道。
• . 将反馈效应纳入经典双星演化与化学均匀演化通道，评估其对黑洞特性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 . 新形成的黑洞在直接塌缩过程中产生的吸积反馈如何影响其旋转氦星前体的塌缩？
• RQ2 . 前体中的角动量对反馈效率及最终黑洞质量与自旋有何影响？
• RQ3 . 反馈能否解释LIGO双黑洞事件（如GW150914和GW151226）中观测到的低有效自旋？
• RQ4 . 密集双星中的潮汐力矩如何影响首颗形成黑洞的自旋，以及双星的有效自旋？
• RQ5 . 观测到的LIGO参数对双黑洞形成通道（尤其是包含反馈时）施加了何种约束？

主要发现

• . 在直接塌缩过程中，来自盘面吸积的吸积反馈可通过加热包层来阻止恒星塌缩，从而降低黑洞的最终质量和自旋。
• . 该反馈过程自然产生低自旋黑洞，与GW150914和GW170104中观测到的χeff ≲ 0.1一致。
• . 潮汐同步双星系统中ζ ≲ 0.03（dτ）可产生χeff < 0.4，与LIGO观测结果相符，支持经典双星形成通道。
• . 最大质量的LIGO黑洞（如GW150914）最可能由缓慢旋转的前体形成，因为快速旋转会导致强反馈，限制质量增长。
• . 化学均匀演化通道对ζ > 0.2的等质量前体预测较高有效自旋（χeff ≈ 0.6–0.8），但反馈可降低该值，使其更符合观测。
• . 反馈可阻止大质量、快速旋转黑洞的形成，意味着此类系统必须源于特定前体条件或替代形成通道。