[论文解读] Massive black holes regulated by luminous blue variable mass loss and magnetic fields

J. H. Groh, Eoin Farrell+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 3被引用 8

一句话总结

本文研究了在太阳金属丰度下，大质量蓝变星（LBV）的质量损失与表面磁场如何调控大质量黑洞（BH）的形成。基于85 M⊙恒星的日内瓦恒星演化模型，结果表明，要形成约70 M⊙的黑洞原初质量，后主序阶段的质量损失率必须低于5 × 10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹，而这一条件仅在强磁场抑制质量损失，或LBV以异常低的速率损失质量时才可实现。

ABSTRACT

We investigate the effects of mass loss during the main-sequence (MS) and post-MS phases of massive star evolution on black hole (BH) birth masses. We compute solar metallicity Geneva stellar evolution models of an 85 $M_{\odot}$ star with mass-loss rate ($\dot{M}$) prescriptions for MS and post-MS phases and analyze under which conditions such models could lead to very massive BHs. Based on the observational constraints for $\dot{M}$ of luminous stars, we discuss two possible scenarios that could produce massive BHs at high metallicity. First, if a massive BH progenitor evolves from the observed population of massive MS stars known as WNh stars, we show that its average post-MS mass-loss rate has to be less than $1\, imes10^{-5}\,M_{\odot}$/yr. However, this is lower than the typical observed mass-loss rates of luminous blue variables (LBV). Second, a massive BH progenitor could evolve from a yet undetected population of $80-85$ $M_{\odot}$ stars with strong surface magnetic fields, which could quench mass loss during the evolution. In this case, the average mass-loss rate during the post-MS LBV phase has to be less than $5\, imes10^{-5}\,M_{\odot}$/yr to produce 70 $M_{\odot}$ BHs. We suggest that LBVs that explode as SNe have large envelopes and small cores that could be prone to explosion, possibly evolving from binary interaction (either mergers or mass gainers that do not fully mix). Conversely, LBVs that directly collapse to BHs could have evolve from massive single stars or binary-star mergers that fully mix, possessing large cores that would favor BH formation.

研究动机与目标

• 解释在太阳金属丰度下形成极高质量黑洞（如~70 M⊙）的机制，这些黑洞的质量超出了标准恒星演化模型的预测。
• 评估观测到的明亮蓝变星（LBV）质量损失率是否与这类大质量黑洞的形成相容。
• 探究大质量恒星表面磁场是否能抑制质量损失，从而实现无需超新星爆发的直接黑洞形成。
• 调和LBV作为超新星和直接黑洞塌缩前身星之间的表观矛盾。
• 评估双星相互作用与核心混合在决定大质量恒星是否经历LBV相位并最终演化为黑洞或超新星残骸中的作用。

提出的方法

• 计算太阳金属丰度下85 M⊙恒星的日内瓦恒星演化模型，采用主序（MS）和后主序阶段可变的质量损失方案。
• 应用来自明亮恒星的观测质量损失率，包括典型的LBV质量损失率（~10⁻⁴至10⁻³ M⊙ yr⁻¹），并测试更低的数值以匹配观测到的黑洞质量。
• 在模型中引入偶极表面磁场（最高达2 kG），以模拟主序和后主序演化期间磁场对质量损失的抑制效应。
• 使用Vink质量损失公式描述主序风，并通过调节效率因子（fMS）来模拟磁化恒星中的质量损失减少。
• 分析最终核心质量和残余质量随后主序质量损失率与磁场强度的变化关系。
• 将模型预测与LB-1系统及其他大质量黑洞候选体的观测约束进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的明亮蓝变星（LBV）质量损失率能否在太阳金属丰度下形成约70 M⊙的黑洞原初质量？
• RQ2 对于85 M⊙的前身星，要形成70 M⊙的黑洞，后主序阶段需要多低的质量损失率？
• RQ3 大质量恒星中强表面磁场能否抑制质量损失，从而实现无需超新星爆发的直接黑洞形成？
• RQ4 为何一些LBV会爆发为超新星，而另一些则直接塌缩成黑洞？
• RQ5 双星相互作用（如合并或质量吸积）如何影响大质量恒星的核质量与演化路径？

主要发现

• 要使从观测到的WNh恒星演化而来的前身星形成70 M⊙的黑洞，后主序阶段的质量损失率必须低于1 × 10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹，该值低于典型的LBV观测质量损失率。
• 对于从假设的80–85 M⊙恒星群体演化而来的前身星，若其具有强表面磁场，则后主序质量损失率低于5 × 10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹即足以形成70 M⊙的黑洞。
• 2 kG的磁场可将主序阶段的质量损失减少至与Vink质量损失公式中效率因子fMS = 0.333（即减少33%）时的水平相当。
• 演化为大质量黑洞前身星的恒星可能具有大而完全混合的核心，且避免经历LBV相位；而核心较小、包层较大的恒星则可能经过LBV相位并爆发为超新星。
• 假设LB-1黑洞的前身星半径约为350 R⊙，超过其轨道半径（约200 R⊙），表明其必须具有多孔或结构化的辐射包层，以避免洛希瓣溢出。
• 在太阳金属丰度下形成极高质量黑洞的关键在于后主序阶段极低的质量损失，以及强磁场对风驱动质量损失的有效抑制。