[论文解读] Constraints on mass ejection in black hole formation, derived from black hole X-ray binaries

G. Nelemans, Thomas M. Tauris+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 1999

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 10

一句话总结

本文提出，在核心坍缩超新星过程中对称的质量喷射可解释黑洞X射线双星的观测空间速度，包括天鹅座X-1和1994年猎户座新星，而无需假设形成时的反冲速度。研究发现，形成天鹅座X-1和新星猎户座分别至少需喷射2.6 M⊙和4.1 M⊙的质量，且一致的质量喷射分数f = 0.35可解释低质量黑洞双星中的低速度。

ABSTRACT

Both the recently observed high runaway velocities of Cyg X-1 (~50 km/s) and X-ray Nova Sco 1994 (> ~100 km/s) and the relatively low radial velocities of the black hole X-ray binaries with low mass donor stars, can be explained by symmetric mass ejection in the supernovae (SNe) which formed the black holes in these systems. Assuming symmetric mass ejection in black hole formation, we estimate the amount of mass that must have been ejected in the stellar core collapse in order to explain the velocities of the above X-ray binaries. We find that at least 2.6 M_sun and 4.1 M_sun must have been ejected in the formation of Cyg X-1 and Nova Sco, respectively. A similar mass loss fraction (f = 0.35) for the black hole binaries with low mass donors, gives low velocities, in agreement with the observations. We conclude that the black holes in X-ray binaries are all consistent with being formed in a successful SN in which mass is ejected. A possible kick at the formation of the black hole is not needed to explain their space velocities.

研究动机与目标

• 解释黑洞X射线双星的观测空间速度，包括像天鹅座X-1和1994年猎户座新星这样的高速系统。
• 研究在核心坍缩超新星期间是否对称质量喷射可解释测量到的速度而无需依赖形成时的反冲速度。
• 估算在这些系统中形成黑洞时必须喷射的最小质量。
• 检验不同质量供体恒星的黑洞双星系统中质量喷射模型的一致性。
• 确定低质量黑洞双星中的观测速度弥散是否与黑洞形成期间的对称质量损失相容。

提出的方法

• 将黑洞X射线双星的空间速度（包括天鹅座X-1（~50 km/s）和新星猎户座1994年（>100 km/s））作为观测约束进行分析。
• 应用动量守恒来模拟核心坍缩超新星期间对称质量喷射所导致的反冲速度。
• 利用观测速度推断每个系统在超新星爆发中必须喷射的最小质量。
• 将推断出的质量喷射分数（f）与低质量供体双星中得出的分数进行比较，后者表现出低径向速度。
• 假设对称质量喷射，并推导出为重现观测系统速度所需喷射的质量。
• 检验推导出的质量喷射分数（f ≈ 0.35）在不同系统中的一致性，以评估模型的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在核心坍缩超新星期间的对称质量喷射能否解释像天鹅座X-1和1994年猎户座新星这样的黑洞X射线双星中观测到的高速空间运动？
• RQ2 为产生天鹅座X-1的观测速度（~50 km/s），在形成其超新星爆发中必须喷射的最小质量是多少？
• RQ3 为解释1994年猎户座新星的高速，形成其黑洞时必须喷射的最小质量是多少？
• RQ4 在具有低质量供体的黑洞双星中，是否相同的质量喷射分数保持一致，这些双星表现出低径向速度？
• RQ5 是否需要形成时的反冲速度来解释黑洞X射线双星的空间速度，还是仅靠对称质量喷射即可解释？

主要发现

• 为解释天鹅座X-1的观测空间速度（~50 km/s），形成过程中至少需喷射2.6 M⊙的质量。
• 为解释1994年猎户座新星的速度超过~100 km/s，形成过程中至少需喷射4.1 M⊙的质量。
• 在不同系统中保持一致的质量喷射分数f = 0.35，可解释具有低质量供体恒星的黑洞双星中观测到的低径向速度。
• 黑洞X射线双星的观测速度与核心坍缩超新星期间的对称质量喷射一致。
• 结果表明，无需假设形成时的反冲速度即可解释这些系统的空间速度。
• 所有观测到的黑洞X射线双星均与通过成功超新星爆发和对称质量喷射形成的模型一致。