[论文解读] Constraining population synthesis models via observations of compact-object binaries and supernovae

R. O’Shaughnessy, C. Kim+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2006

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 4

一句话总结

本研究利用观测到的双致密星体（DCOs）和超新星的形成速率对群体合成模型进行约束，发现仅有约9%的模型与实证数据一致。研究识别出偏好参数——如300 km/s的麦克斯韦型新生冲量、稳定质量转移期间90%的质量损失率，以及共用包层α ≈ 0.2–0.5——并预测了银河系中黑洞-黑洞（BH-BH）、黑洞-中子星（BH-NS）和中子星-中子星（NS-NS）双星的引力波并合速率。

ABSTRACT

The observed samples of supernovae (SN) and double compact objects (DCOs) provide several critical constraints on population-synthesis models: the parameters of these models must be carefully chosen to reproduce, among other factors, (i) the formation rates of double neutron star (NS-NS) binaries and of white dwarf-neutron star (WD-NS) binaries and (ii) the type II and Ib/c supernova rates. Even allowing for extremely conservative accounting of the uncertainties in observational and theoretical predictions, we find only a few plausible population synthesis models (roughly 9%) are consistent with DCO and SN rates empirically determined from observations. As a proof of concept, we describe the information that can be extracted about population synthesis models given such stringent observational tests, including surprisingly good agreement with the observed pulsar proper motion distribution. In the present study, we find that the current observational constraints favor: kicks described by a single Maxwellian with a typical velocity of about 300km/s; mass-loss fractions during non-conservative, but stable, mass transfer episodes of about 90%; and common envelope parameters of about 0.2-0.5. Finally, we use the subset of astrophysically consistent models to predict the rates at which double black hole (BH-BH), black hole-neutron star (BH-NS), and NS-NS binaries merge in the Milky Way through the emission of gravitational waves.

研究动机与目标

• 测试群体合成模型与观测到的双中子星和白矮星-中子星双星形成速率的一致性。
• 评估模型与观测到的II型及Ib/c型超新星速率的兼容性。
• 通过严格的观测约束，识别天体物理上合理的模型参数。
• 从观测数据中提取物理洞见——如新生冲量速度和质量损失分数。
• 使用一致的模型预测银河系中BH-BH、BH-NS和NS-NS双星的引力波并合速率。

提出的方法

• 以实证确定的双致密星体（DCOs）和超新星形成速率为观测约束条件。
• 将群体合成模型与观测到的DCO和SN形成速率进行对比，包括NS-NS和WD-NS双星的形成速率。
• 进行统计比较，以识别与观测到的超新星类型（II型和Ib/c型）及DCO形成速率一致的模型。
• 通过将预测的脉冲星自行速度分布与观测结果对比，进一步约束模型。
• 从与观测的一致性中推断关键模型参数——如新生冲量速度、稳定质量转移期间的质量损失分数，以及共用包层能量预算。
• 利用天体物理上一致的模型子集，预测BH-BH、BH-NS和NS-NS双星的引力波并合速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些群体合成模型与观测到的双致密星体和超新星形成速率一致？
• RQ2 新生冲量速度、稳定质量转移期间的质量损失分数以及共用包层参数的优选值是什么？
• RQ3 受限模型在多大程度上重现了观测到的脉冲星自行速度分布？
• RQ4 银河系中BH-BH、BH-NS和NS-NS双星的引力波并合速率预测为何？
• RQ5 观测约束在多大程度上限制了群体合成模型的可行参数空间？

主要发现

• 在测试的群体合成模型中，仅有约9%与DCO和超新星速率的实证约束一致。
• 数据支持单一麦克斯韦型新生冲量，其典型速度约为300 km/s。
• 非保守稳定质量转移过程中的质量损失分数最佳拟合值约为90%。
• 共用包层参数被约束在0.2至0.5之间。
• 一致模型子集预测了银河系中BH-BH、BH-NS和NS-NS双星引力波并合的特定速率。
• 模型与观测到的脉冲星自行速度分布表现出出人意料的良好一致性。