[论文解读] Metallicity dependence of black hole main sequence binaries detectable with Gaia

Tomoya Kinugawa, Masaki Yamaguchi|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用 4

一句话总结

该论文利用双星演化合成方法模拟银河系中黑洞-主序星（BH-MS）双星系统，表明盖亚在太阳金属丰度（Z⊙）下可探测到200–400个此类系统，在0.1Z⊙下可探测到70–400个。主序星伴星的金属丰度可通过光谱后续观测揭示黑洞形成过程中的金属丰度依赖性，从而为包括贫金属恒星在内的前身体种群提供直接的观测检验。

ABSTRACT

LIGO has detected gravitational waves from massive binary black hole mergers. In order to explain the origin of such massive stellar-mass black holes, extreme metal poor stars including first stars have been invoked. However, black holes do not carry information of the metallicity. In order to check the metallicity dependence of the black hole formation, we focus on galactic black hole-main sequence binaries (BH-MSs). Using a binary population synthesis method, we find that $\gaia$ can detect $\sim200-400$ BH-MSs whose metallicity is $\zsun$ and $\sim70-400$ BH-MSs whose metallicity is $0.1\zsun$. With the spectroscopic observation on 4-m class telescopes, we can check the metallicity of BH-MSs. The metallicity dependence of the black hole formation might be checked by the astrometry and spectroscopic observations.

研究动机与目标

• 研究盖亚在不同金属丰度下探测黑洞-主序星（BH-MS）双星系统的可行性。
• 评估盖亚的天体测量数据结合光谱后续观测是否能够揭示黑洞形成过程中的金属丰度依赖性。
• 利用对金属丰度敏感的双星演化模型（特别关注质量损失和共同包层阶段）对BH-MS双星种群进行建模。
• 在现实的盖亚探测极限下，量化在太阳金属丰度（Z⊙）和亚太阳金属丰度（0.1Z⊙）下可探测到的BH-MS系统数量。

提出的方法

• 采用改进的BSE代码进行双星种群合成，引入依赖于光度和金属丰度的风质量损失率：Ẇ_WR ∝ L^1.5 Z^0.86 与 Ẇ_LBV = 1.5×10⁻⁴ M⊙ yr⁻¹。
• 引入共同包层演化模型，采用αλ = 1，即轨道衰减释放的能量可剥离包层，后续分离距离决定双星是否存活。
• 使用初始质量函数 f(M₁) ∝ M₁⁻².³⁵（5–100 M⊙），均匀质量比 q ∈ (0.1, 1)，以及反分离距离分布 f(a) ∝ 1/a，共模拟10⁵个双星系统。
• 应用盖亚探测标准：视差信噪比 >10，极限星等 G ≈ 20 等，周期范围 50 天 < P < 5 年，以匹配盖亚的观测时序。
• 采用两种恒星形成模型：在10 Gyr内恒定恒星形成率，且Z⊙与0.1Z⊙成分相等（Mix模型）；以及随时间演化金属丰度的化学演化模型（ChemiEvo）。
• 比较整个银河系中BH-MS双星种群与盖亚可探测到的种群，以评估选择效应和金属丰度相关的探测偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在太阳金属丰度（Z⊙）和亚太阳金属丰度（0.1Z⊙）下，盖亚可探测到多少个黑洞-主序星双星系统？
• RQ2 BH-MS系统中主序星伴星的金属丰度如何影响其被盖亚探测到的可能性？
• RQ3 使用4米望远镜进行光谱后续观测，能否可靠测量盖亚探测到的BH-MS系统中主序星伴星的金属丰度？
• RQ4 黑洞质量函数在BH-MS双星系统中的金属丰度依赖性如何？Z⊙与0.1Z⊙种群之间有何差异？
• RQ5 在不同金属丰度下，质量损失与共同包层演化过程的差异如何影响最终可观测到的BH-MS双星系统种群？

主要发现

• 在太阳金属丰度（Z⊙）下，盖亚可探测到约200–400个黑洞-主序星双星系统；在0.1Z⊙下，可探测到70–400个，具体数量取决于恒星形成模型。
• 在Mix模型中，由于低金属丰度下质量损失减少且共同包层合并概率降低，0.1Z⊙下的可探测BH-MS双星数量高于Z⊙。
• 在ChemiEvo模型中，由于大质量恒星寿命缩短且大质量双星演化更早，0.1Z⊙下的可探测BH-MS双星数量仅为Z⊙的六分之一。
• 盖亚探测到的BH-MS系统中黑洞的质量分布明显表现出金属丰度依赖性：质量超过∼18 M⊙的黑洞系统可能起源于星族II。
• 盖亚探测到的系统中，主序星伴星普遍偏向更高质量，因为低质量伴星即使存在也过暗而无法被探测到。
• 使用4米望远镜进行光谱后续观测可测量主序星伴星的金属丰度，从而实现对黑洞前身体金属丰度的直接推断。