[论文解读] Constraining Black Hole Formation with 2M05215658+4359220

Katelyn Breivik, Sourav Chatterjee+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2018

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 6被引用 1

一句话总结

本文利用双星演化合成方法，表明轨道周期为80天的双星系统2M05215658+4359220（包含一个疑似黑洞与一颗巨星）必定经历了一个共同包层阶段。研究发现，该黑洞的质量与‘快速’超新星引擎模型不一致，挑战了当前黑洞形成理论，并凸显该系统作为风吸积模型和未来引力波探测关键检验对象的重要性。

ABSTRACT

We show that the recently discovered binary 2M05215658+4359220, comprised of a giant star (GS) orbiting a suspected black hole (BH) in a ~80 day orbit, may be instrumental in shedding light on uncertain BH-formation physics and can be a test case for studying wind accretion models. Using binary population synthesis and a realistic prescription of the star formation history and metallicity evolution of the Milky Way, we analyze the formation histories of detached BH-GS binaries like 2M05215658+4359220, and find that all such systems with orbital periods less than 5 years went through a common envelope. Furthermore, the `rapid' and `delayed' supernova engine models produce very different BH mass distributions in BH-GS binaries, and one current mass estimate for the BH in 2M05215658+4359220 is inconsistent with the rapid model. An improved measurement of the orbit of 2M05215658+4359220, which we argue is imminent with the next Gaia data release, therefore has widespread implications including for SN engine models and for the types of binaries detectable by LIGO and LISA. Finally, we show that the reported X-ray non-detection is a challenge for wind accretion theory, making 2M05215658+4359220 a prime target for further study with accretion models.

研究动机与目标

• 利用真实的银河系恒星形成历史与金属丰度演化，研究类似2M05215658+4359220的孤立黑洞-巨星双星的形成路径。
• 检验‘快速’与‘延迟’超新星引擎模型在预测此类双星中黑洞质量方面的可行性。
• 评估该系统X射线非探测结果对风吸积理论的影响。
• 评估未来盖亚数据在提升轨道测量精度并约束黑洞形成模型方面的潜力。

提出的方法

• 采用考虑真实银河系恒星形成历史与金属丰度演化的双星演化合成方法，模拟孤立黑洞-巨星双星的形成过程。
• 应用两种不同的超新星引擎模型——‘快速’与‘延迟’——以模拟双星系统中黑洞质量的分布。
• 利用轨道周期限制（<5年）推断，所有此类系统必定经历过共同包层阶段。
• 评估观测到的黑洞质量估计值与两种超新星模型预测的质量分布的一致性。
• 评估X射线非探测结果对风吸积模型的影响，将其视为对吸积效率的约束。
• 预测下一代盖亚数据释放后，轨道测量精度的提升将显著增强对黑洞形成与可探测性的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些形成通道能够产生轨道周期小于5年的孤立黑洞-巨星双星？
• RQ2 ‘快速’与‘延迟’超新星引擎模型在预测此类双星中黑洞质量分布方面有何差异？
• RQ3 2M05215658+4359220中观测到的黑洞质量是否与‘快速’超新星引擎模型的预测一致？
• RQ4 2M05215658+4359220的X射线非探测结果如何挑战当前的风吸积模型？
• RQ5 盖亚数据的轨道测量精度提升对LIGO与LISA探测类似系统有何影响？

主要发现

• 所有轨道周期小于5年的孤立黑洞-巨星双星必定经历过共同包层阶段。
• ‘快速’超新星引擎模型生成的黑洞质量分布与2M05215658+4359220中当前观测到的黑洞质量估计不一致。
• 2M05215658+4359220的X射线非探测结果对风吸积理论构成重大挑战，表明吸积效率较低。
• 该系统因X射线光度低且轨道参数约束良好，是测试风吸积模型的理想候选者。
• 预计下一代盖亚数据释放将显著提升轨道测量精度，从而更严格约束黑洞形成模型与可探测性。
• 该系统的特性使其成为理解黑洞形成与双星演化物理机制的关键检验案例。