[论文解读] Importance of stable mass transfer and stellar winds for the formation of gravitational wave sources

Andris Dorozsmai, Silvia Toonen|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

本研究探讨了质量转移稳定性与恒星风模型中的不确定性如何影响通过群体合成形成引力波辐射双黑洞的机制。研究发现，质量转移效率与角动量损失是决定稳定质量转移与共包层演化何者占主导的关键因素，而恒星风对合并双黑洞质量的影响微乎其微，除非结合极端假设。

ABSTRACT

The large number of gravitational wave (GW) detections have revealed the properties of the merging black hole binary population, but how such systems are formed is still heavily debated. Understanding the imprint of stellar physics on the observable GW population will shed light on how we can use the gravitational wave data, along with other observations, to constrain the poorly understood evolution of massive binaries. We perform a parameter study on the classical isolated binary formation channel with the population synthesis code SeBa to investigate how sensitive the properties of the coalescing binary black hole population are on the uncertainties related to first phase of mass transfer and stellar winds. We vary five assumptions: 1 and 2) the mass transfer efficiency and the angular momentum loss during the first mass transfer phase, 3) the mass transfer stability criteria for giant donors with radiative envelopes, 4) the effective temperature at which an evolved star develops a deep convective envelope, and 5) the mass loss rates of stellar winds. We find that current uncertainties related to first phase of mass transfer have a huge impact on the relative importance of different dominant channels, while the observable demographics of GW sources are not significantly affected. Our varied parameters have a complex, interrelated effect on the population properties of GW sources. Therefore, inference of massive binary physics from GW data alone remains extremely challenging, given the large uncertainties in our current models.

研究动机与目标

• 评估不确定的恒星物理过程（尤其是质量转移稳定性与恒星风模型）对通过孤立双星演化形成并合双黑洞的影响。
• 确定关键物理参数的变化如何影响不同形成通道（如稳定质量转移与共包层演化）的相对主导性。
• 评估在模型不确定性存在的情况下，当前的引力波观测是否能约束尚不明确的双星演化物理过程。
• 识别哪些观测诊断指标（如WR-O/B双星）可改善从引力波数据对双星物理的约束。

提出的方法

• 采用SeBa群体合成代码，模拟在质量转移与恒星风物理假设不同的条件下孤立双星的演化过程。
• 系统性地改变五个关键参数：质量转移效率、首次质量转移期间的角动量损失、具有辐射包层的巨星供体的质量转移稳定性标准、深对流包层形成的有效温度，以及恒星风质量损失率。
• 追踪双星系统在质量转移阶段、共包层喷射阶段以及最终通过引力波辐射实现黑洞并合的演化过程。
• 通过比较不同模型变体下的并合率与黑洞质量分布，评估输入不确定性对结果的敏感性。
• 利用已知的WR-O/B双星的观测约束验证模型预测，并指导参数空间的探索。
• 量化每个参数对稳定质量转移与共包层演化通道相对贡献的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在首次质量转移阶段选择不同的角动量损失模式（γ = 1 与 γ = 2.5），如何影响稳定质量转移与共包层演化通道的相对主导性？
• RQ2 质量转移在巨星供体中的稳定性标准（由 ζ_ad,rad 定义）在多大程度上影响双黑洞的并合率？
• RQ3 引力波源的质量与并合率对恒星风质量损失率的变化有多敏感，特别是对线驱动风与LBV风而言？
• RQ4 WR-O/B双星的观测特性在多大程度上可帮助约束与引力波源形成相关的大质量双星系统中的质量转移物理机制？
• RQ5 多个不确定参数的联合效应如何影响并合双黑洞的可观测群体特征？

主要发现

• 选择角动量损失模式（γ = 1 与 γ = 2.5）会显著改变主导形成通道：γ = 2.5 倾向于稳定质量转移通道，而 γ = 1 则抑制该通道并增强共包层演化通道。
• 将稳定性标准 ζ_ad,rad 从 4 提高到 7.5 显著提升了低质量双黑洞（M_BH ≤ 20 M☉）的并合率，但对高质量系统影响甚微，原因在于低金属度下质量比存在限制。
• 将线驱动风质量损失率降低三倍，会使孤立黑洞的质量增加，但对并合双黑洞质量的影响可忽略不计，因为包层剥离后狼-雷特（Wolf-Rayet）阶段的质量损失会相应增加以进行补偿。
• 当LBV风质量损失率超过 ∼10⁻³ M☉ yr⁻¹ 时，共包层通道将被完全抑制，因为质量损失阻止了足够紧密双星的形成，从而无法实现高效的共包层演化（CEE），而稳定通道则不受影响，因包层剥离速度很快。
• 只有在高质量转移效率与高角动量损失（γ = 2.5）的特定组合下，稳定质量转移通道才会成为主导，凸显了模型参数之间的强烈相互依赖性。
• 由于质量转移与风模型中不确定性之间存在复杂且非线性的相互作用，仅凭引力波数据推断大质量双星物理过程仍极具挑战。