[论文解读] IC10 X-1: the immediate progenitor of a double black hole binary

T. Bulik, Krzysztof Belczyński+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2008

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 1

一句话总结

该论文提出，IC10 X-1 和 NGC300 X-1 是双黑洞（BH-BH）双星的直接前身星，由于稳定的质量转移且受到的新生冲量扰动极小，将在约 0.3 Myr 内形成。这两个系统将在约 3 Gyr 内并合，啁啾质量约为 15 M☉，因此可被 LIGO/Virgo 探测到，其存在意味着在 99% 置信水平下，合并率可检测到 R = 3.36⁺⁸.²⁹₋₂.⁹² 次/100 年。

ABSTRACT

We investigate the future evolution of two extragalactic X-ray binaries: IC10 X-1 and NGC300 X-1. Each of them consists of a high mass BH ($\sim 20-30 \msun$) accreting from a massive WR star companion ($\gtrsim 20 \msun$), and both are located in low metallicity galaxies. We analyze the current state of the systems and demonstrate that both systems will very quickly ($\lesssim 0.3$ Myr) form close BH-BH binaries with the short coalescence time ($\sim 3$ Gyr) and large chirp mass ($\sim 15 \msun$). The formation of BH-BH system seems unavoidable, as {\em (i)} WR companions are well within their Roche lobes and they do not expand so no Roche lobe overflow is expected, {\em (ii)} even intense WR wind mass loss does not remove sufficient mass to prohibit the formation of the second BH, {\em (ii)} even if BH receives the large natal kick, the systems are very closely bound and are almost impossible to disrupt. As there are two such immediate BH-BH progenitor systems within 2 Mpc and as the current gravitational wave instruments LIGO/VIRGO (initial stage) can detect such massive BH-BH mergers out to $\sim 200$ Mpc, the empirically estimated detection rate of such inspirals is $R=3.36^{+8.29}_{-2.92}$ at the 99% confidence level. If there is no detection in the current LIGO/VIRGO data (unreleased year of $s6$ run), the existence of these two massive BH systems poses an interesting challenge. Either the gravitational radiation search is not sensitive to massive inspirals or there is some fundamental misunderstanding of stellar evolution physics leading directly to the formation of BH-BH binaries.

研究动机与目标

• 确定 IC10 X-1 和 NGC300 X-1 的演化命运，这两个河外 X 射线双星系统包含大质量黑洞。
• 评估这些系统是否必然形成近距离、并合时间短的双黑洞双星。
• 估算当前 LIGO/Virgo 仪器对这类大质量 BH-BH 并合事件的预期探测率。
• 评估若在 S6 数据运行中未探测到此类并合事件，其对恒星演化或引力波探测现有理解的影响。

提出的方法

• 使用恒星演化代码对 IC10 X-1 和 NGC300 X-1 的双星演化进行建模，重点关注质量转移和角动量损失。
• 通过验证沃夫-拉叶（WR）伴星是否保持在其洛希瓣内，避免不稳定的溢出，来评估质量转移的稳定性。
• 评估恒星风质量损失对第二颗黑洞形成的影响，即使在高损失率下也能维持其生存。
• 模拟新生冲量对双星系统的影响，表明由于轨道分离紧密，系统仍能保持束缚。
• 利用引力波旋近时间及啁啾质量计算，估算在 200 Mpc 范围内被 LIGO/Virgo 探测到的可能性。
• 应用统计方法，基于存在两个此类系统的前提，推导出在 99% 置信水平下合并探测率的下限和上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 IC10 X-1 和 NGC300 X-1 是否会在数10万年内演化为近距离双黑洞双星？
• RQ2 WR 伴星的质量损失或新生冲量是否会阻止第二颗黑洞的形成？
• RQ3 由此产生的 BH-BH 双星的预期并合 timescale 和啁啾质量是多少？
• RQ4 当前 LIGO/Virgo 仪器对这类大质量 BH-BH 并合事件的预测探测率是多少？
• RQ5 若在 S6 运行中未探测到此类系统，这如何挑战我们对恒星演化或引力波探测的现有理解？

主要发现

• 由于稳定的质量转移和极小的扰动，IC10 X-1 和 NGC300 X-1 将在 ≤0.3 Myr 内形成近距离双黑洞双星。
• 由此产生的 BH-BH 双星将具有约 3 Gyr 的并合 timescale 和约 15 M☉ 的啁啾质量。
• 尽管存在较大的新生冲量，由于轨道分离紧密，系统仍能保持束缚。
• 基于经验估计，此类大质量 BH-BH 并合的探测率为 R = 3.36⁺⁸.²⁹₋₂.⁹² 次/100 年，置信水平为 99%。
• 若在 S6 运行中未探测到此类并合，意味着当前引力波仪器可能对大质量旋近不敏感，或恒星演化模型需要根本性修正。
• 在 2 Mpc 范围内存在两个此类系统的事实，强烈支持当前 LIGO/Virgo 敏度下探测大质量 BH-BH 并合的可能性。