[论文解读] Black hole - neutron star mergers: The first mass gap and kilonovae

Paweł Drozda, Krzysztof Belczyński+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2020

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 9被引用 13

一句话总结

本研究利用群体合成模型研究了黑洞-中子星（BH-NS）并合，探讨了第一质量间隙（2–5 M☉）及千新星辐射。研究发现，仅约1%的BH-NS并合能喷射出被8米望远镜探测到的质量，若假设延迟超新星引擎存在，则约30%的系统至少包含一个第一质量间隙内的致密天体，表明质量间隙的存在与核心塌缩物理过程密切相关。

ABSTRACT

Observations of X-ray binaries indicate a dearth of compact objects in the mass range from $\sim 2-5 M_{\odot}$. The existence of this (first mass) gap has been used to discriminate between proposed engines behind core-collapse supernovae. From LIGO/Virgo observations of binary compact remnant masses, several candidate first mass gap objects (either neutron stars (NSs) or black holes (BHs)) were identified during the O3 science run. Motivated by these new observations, we study the formation of BH-NS mergers in the framework of isolated classical binary evolution, using population synthesis methods to evolve large populations of binary stars (Population I and II) across cosmic time. We present results on the NS to BH mass ratios ($q=M_{ m NS}/M_{ m BH}$) in merging systems, showing that although systems with a mass ratio as low as $q=0.02$ can exist, typically BH-NS systems form with moderate mass ratios $q=0.1-0.2$. If we adopt a delayed supernova engine, we conclude that $\sim 30\%$ of BH-NS mergers may host at least one compact object in the first mass gap (FMG$^\circ$). Even allowing for uncertainties in the processes behind compact object formation, we expect the fraction of BH-NS systems ejecting mass during the merger to be small (from $\sim 0.6-9\%$). In our reference model, we assume: (i) the formation of compact objects within the FMG, (ii) natal NS/BH kicks decreased by fallback, (iii) low BH spins due to Tayler-Spruit angular momentum transport in massive stars. We find that $\lesssim 1\%$ of BH-NS mergers will have any mass ejection and about the same percentage will produce kilonova bright enough to have a chance of being detected with a large (Subaru-class) $8$m telescope. Interestingly, all these mergers will have both a BH and an NS in the FMG.

研究动机与目标

• 在致密天体形成物理过程存在不确定性的情况下，确定BH-NS并合中喷射质量并产生可探测千新星的比例。
• 评估在不同超新星引擎模型下，BH-NS系统中第一质量间隙（2–5 M☉）内致密天体存在的可能性。
• 评估孤立双星演化在形成具有极端质量比和质量间隙天体的BH-NS系统中的作用。
• 利用LIGO/Virgo O3数据中观测到的质量间隙候选体约束核心塌缩超新星的性质。
• 为未来BH-NS并合群体及其电磁对应体研究提供公开可访问的模型集。

提出的方法

• 对宇宙时空中I型和II型恒星的孤立双星演化进行群体合成模拟。
• 通过变化原生反冲速度、吸积回落及角动量输运（如Tayler-Spruit机制）的假设，对致密天体形成进行建模。
• 采用MPA1方程态描述中子星，并结合可探测性阈值，对真实千新星光度进行建模。
• 在多个模型（如M280、M283等）中进行敏感性分析，评估质量喷射与可探测性中的不确定性。
• 将预测的并合率与质量比与LIGO/Virgo O3观测结果进行比较，尤其关注质量间隙候选体。
• 引入黑洞自旋效应，其显著影响质量喷射与千新星亮度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在参考模型下，有多少比例的BH-NS并合能喷射出足够质量，以使8米望远镜探测到千新星？
• RQ2 延迟超新星引擎情景如何影响BH-NS系统中形成第一质量间隙内致密天体的可能性？
• RQ3 并合BH-NS系统的典型质量比（q = M_NS / M_BH）是多少？极端质量比如 q = 0.02 出现的频率如何？
• RQ4 原生反冲速度、吸积回落及黑洞自旋的不确定性在多大程度上影响千新星产生并合的预测率？
• RQ5 BH-NS并合的电磁对应体在多大程度上可用来区分大质量恒星中角动量输运机制的多种竞争模型？

主要发现

• 在参考模型下，仅约1%的BH-NS并合能喷射出足够质量，以使大型（如Subaru级）8米望远镜探测到千新星。
• 根据不确定的输入物理参数，具有质量喷射的BH-NS并合比例在0.6%至9%之间变化，参考模型下不超过1%。
• 在延迟超新星引擎情景下，约30%的BH-NS并合至少包含一个第一质量间隙（2–5 M☉）内的致密天体。
• 尽管可形成质量比低至 q = 0.02 的系统，但典型的BH-NS并合具有中等质量比 q = 0.1–0.2。
• 在参考模型中，所有产生千新星的并合事件均包含第一质量间隙中的黑洞和中子星，表明质量间隙天体与可探测电磁辐射之间存在强关联。
• 未来对BH-NS并合千新星的电磁探测（或未探测）结果，或可区分大质量恒星中角动量输运机制的多种竞争模型。