[论文解读] High Mass X-ray Binaries: Future Evolution and Fate

Krzysztof Belczyński, T. Bulik+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2012

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用 11

一句话总结

本文研究了大质量X射线双星（HMXBs）作为黑洞-中子星（BH-NS）和黑洞-黑洞（BH-BH）系统前身星的未来演化，发现其中大多数将经历共包层合并并形成富含氦的星体，从而成为潜在的长暴发伽马射线暴（GRB）前身星。该研究估算银河系内氦合并GRB的速率为6–18 Myr⁻¹，意味着此类系统引发地球近期大规模灭绝事件的可能性为10–20%。

ABSTRACT

BH-NS and BH-BH systems are among the most promising gravitational wave sources detectable by advanced LIGO/VIRGO and the Einstein Telescope. Although the rates of these systems may be above those of NS-NS mergers, BH-NS and BH-BH systems are difficult to detect, and thusfar none have been observed. But the progenitors of BH-NS and BH-BH binary systems may have been observed, in the form of High-Mass X-ray Binaries (HMXBs). In this paper, we continue work studying these potential progenitors of these important gravitational wave sources. In the first two papers of the series, we have demonstrated that IC10 X-1 and NGC300 X-1 are direct progenitors of BH-BH systems and that Cyg X-1 may form, alas with a very low probability, a BH-NS system. Here, we analyze the Galactic binaries GX 301-2, Vela X-1, XTEJ1855-026, 4U1907+09, Cir X-1 and extra-galactic LMC X-1, LMC X-3, M33 X-1. In each case, we find that the future evolution will not allow the formation of a BH-NS nor a BH-BH system. Most of these binaries will soon merge in the common envelope phase, with a compact object sinking into a helium-rich core of a stellar companion. This "helium-merger" may be a progenitor for long duration gamma-ray bursts (GRBs). Based on the observed HMXB population, the rate of helium-mergers may make up a sizable fraction of long-duration GRBs. Due to this high number of potential GRB progenitors, a chance that a Galactic HMXB has caused one of the recent major mass extinction events is significant (10-20%).

研究动机与目标

• 确定已知的大质量X射线双星（HMXBs）是否可通过标准双星演化形成黑洞-中子星（BH-NS）或黑洞-黑洞（BH-BH）系统。
• 评估银河系及河外HMXBs在参数约束良好情况下的命运，作为引力波源潜在前身星的可能性。
• 评估通过共包层演化形成的氦合并事件在产生长暴发伽马射线暴（GRBs）中的作用。
• 估算银河系内氦合并GRB的形成速率，并评估其对地球生物圈的影响，包括大规模灭绝事件。

提出的方法

• 对12个HMXBs进行了详细的双星演化建模，包括GX 301-2、Vela X-1、XTE J1855-026、4U 1907+09、Cir X-1、LMC X-1、LMC X-3、M33 X-1以及IC10 X-1、NGC300 X-1。
• 利用恒星演化模型估算大质量伴星的寿命以及HMXB阶段的持续时间，假设致密星体通过核心塌缩超新星形成。
• 将HMXB寿命计算为伴星主序寿命与形成中子星所需最短时间（约5 Myr）的差值。
• 通过HMXB寿命的倒数之和估算银河系内氦合并GRB的形成速率，并对不完整巡天体积（25%的盘面）进行修正。
• 应用束流修正（约500倍）和空间影响体积缩减（约80倍）以估算直接击中地球的GRB速率。
• 结合观测约束与理论模型，评估在地球45亿年历史中，附近GRB导致大规模灭绝事件的概率。

实验结果

研究问题

• RQ1 已知的HMXBs能否通过标准双星演化形成BH-NS或BH-BH系统？
• RQ2 GX 301-2、Vela X-1和LMC X-3等HMXBs在共包层演化下的预期命运是什么？
• RQ3 HMXB前身星产生的银河系内氦合并GRB的估算速率是多少？
• RQ4 附近氦合并GRB导致地球近期大规模灭绝事件的可能性有多大？
• RQ5 为从观测到的HMXB群体估算真实地球撞击GRB速率，需要进行哪些修正？

主要发现

• 大多数HMXBs，包括GX 301-2、Vela X-1、XTE J1855-026、4U 1907+09等，将经历共包层演化并与其富含氦的伴星合并，形成氦合并系统。
• 基于HMXB寿命和巡天体积修正，估算的银河系内氦合并GRB速率为6–18 Myr⁻¹。
• 在应用束流修正和空间影响范围修正后，直接击中地球的GRB速率估算为0.15–0.45 Gyr⁻¹。
• 在地球45亿年的历史中，这相当于预期有0.65–2.0次直接撞击，对应导致近期大规模灭绝事件的概率为7.2–22%。
• 只有IC10 X-1、NGC300 X-1和Cyg X-1可能是BH-BH或BH-NS系统的潜在前身星；研究中的其他HMXBs均不适合形成此类致密双星。
• GX 301-2的贡献主导了速率估算，但如果其HMXB寿命因质量吸积延长至3 Myr，则速率降至1.5 Myr⁻¹，经体积修正后仍处于6–18 Myr⁻¹范围内。