[论文解读] Constraints on the binary black hole hypothesis for system LB-1

Rong-Feng Shen, Christopher D. Matzner+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用 6

一句话总结

该论文通过分析LB-1中宽H-alpha发射线的运动学特征及其系统的低轨道偏心率，挑战了其中大质量暗源的双黑洞（BBH）假说。研究结果表明，由于合并 timescale 过短且引力波反冲速度过大，当前或过去的BBH并合被排除，强烈支持该系统为一颗通过大质量恒星无质量损失单体坍缩形成的68 M☉单黑洞。

ABSTRACT

At about 70 solar masses, the recently-discovered dark object orbited by a B-type star in the system LB-1 is difficult to understand as the end point of standard stellar evolution, except as a binary black hole (BBH). LB-1 shows a strong, broad H-alpha emission line that is best attributed to a gaseous disk surrounding the dark mass. We use the observed H-alpha line shape, particularly its wing extension, to constrain the inner radius of the disk and thereby the separation of a putative BBH. The hypothesis of a current BBH is effectively ruled out on the grounds that its merger time must be a small fraction of the current age of the B star. The hypothesis of a previous BBH that merged to create the current dark mass is also effectively ruled out by the low orbital eccentricity, due to the combination of mass loss and kick resulted from gravitational wave emission in any past merger. We conclude that the current dark mass is a single black hole produced by the highly mass-conserving, monolithic collapse of a massive star.

研究动机与目标

• 利用LB-1中H-alpha发射线的观测约束，检验68 M☉暗源的双黑洞（BBH）假说的可行性。
• 评估过去BBH并合是否可能产生当前系统，考虑引力波反冲与质量损失效应。
• 判断LB-1观测到的低轨道偏心率是否与BBH并合历史相容。
• 评估对恒星演化模型的影响，特别是脉动对不稳定对质量喷射在形成大质量黑洞中的作用。
• 确定系统当前的圆轨道是否排除了形成后显著的质量损失或动力扰动。

提出的方法

• 将H-alpha发射线建模为围绕中心质量的开普勒盘，基于盘面径向速度分量的运动学展宽形式进行分析。
• 应用通量积分方程（6），假设幂律发射率 j(r) ∝ r^(-a)，并在盘面的方位角与径向坐标上进行积分。
• 利用观测到的H-alpha线轮廓，特别是其翼部延伸特征，约束内盘半径，从而限制潜在BBH系统的最小间距。
• 假设引力波驱动的螺旋并合，基于内盘半径估算BBH的并合 timescale，并与B型星的年龄（~35 Myr）进行比较。
• 使用Fitchett（1983）的公式及先进数值相对论结果（如Healy et al. 2014）评估BBH并合产生的引力波反冲速度，以评估偏心率激发效应。
• 应用Barausse et al.（2012）的辐射能量公式，约束并合期间的最大质量损失，要求质量损失小于4%以维持当前轨道偏心率。

实验结果

研究问题

• RQ1 LB-1中观测到的H-alpha线轮廓能否由单黑洞周围的盘解释？这对内盘半径及潜在BBH间距有何含义？
• RQ2 LB-1中BBH的最大可能并合 timescale 是多少？是否与B型星的年龄冲突？
• RQ3 若观测到的轨道偏心率e = 0.03，过去BBH并合是否可能产生当前系统？
• RQ4 BBH并合产生的引力波反冲在多大程度上改变轨道偏心率？是否与当前低偏心率相容？
• RQ5 观测到的低偏心率是否与形成期间或之后的显著质量损失或动力扰动相容？

主要发现

• LB-1中H-alpha发射盘的内半径被约束在小于~1.5 × 10^12 m以内，意味着BBH间距小于~1.5 × 10^12 m。
• 推断出LB-1中BBH的并合 timescale 小于~10^4年，仅为B型星年龄（~35 Myr）的一小部分，因此当前存在BBH极不可能。
• 过去BBH并合被排除，因为此类事件产生的引力波反冲速度将使轨道偏心率超过观测值e = 0.03，除非反冲速度恰好为零。
• 观测到的低偏心率与典型反冲速度（>100 km/s）不相容，除非初始BBH的构型被精细调制以产生零净反冲。
• BBH并合期间的质量损失必须小于4%，才能维持当前轨道参数，这要求特定的自旋构型（如反平行自旋）且仅在极窄质量范围内可能实现。
• 系统当前的圆轨道表明形成后未发生显著质量损失或动力扰动，强烈排除脉动对不稳定对质量喷射或盘风驱动的质量损失，支持通过无质量损失单体坍缩形成的单黑洞。