[论文解读] NGC 1850 BH1 is another stripped-star binary masquerading as a black hole

Kareem El-Badry, Kevin B. Burdge|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 28被引用 59

一句话总结

该论文认为，此前被提议为11 M⊙黑洞候选体的NGC 1850 BH1，实际上是一个大质量双星系统，其中包含一颗在5.04天轨道上与一颗正常主序星伴星（2.5–5 M⊙）相伴的剥离型低质量（≈1 M⊙）恒星。这一重新解释源于该恒星的低密度——由其椭球形变幅和轨道周期推断得出——排除了其为5 M⊙亚巨星的可能性，表明该系统无需引入黑洞即可得到解释。

ABSTRACT

We show that the radial velocity-variable star in the black hole candidate NGC 1850 BH1 cannot be a normal $\approx 5\,M_{\odot}$ subgiant, as was proposed, but is an overluminous stripped-envelope star with mass $\approx 1 M_{\odot}$. The result follows directly from the star's observed radius and the orbital period -- density relation for Roche lobe-filling stars: the star's density, as constrained by the observed ellipsoidal variability, is too low for its mass to exceed $\approx 1.5\,M_{\odot}$. This lower mass significantly reduces the implied mass of the unseen companion and qualitative interpretation of the system, such that a normal main-sequence companion with mass $(2.5-5)\,M_{\odot}$ is fully consistent with the data. We explore evolutionary scenarios that could produce the binary using MESA and find that its properties can be matched by models in which a $\sim5\,M_{\odot}$ primary loses most of its envelope to a companion and is observed in a bloated state before contracting to become a core helium burning sdOB star. This is similar to the scenario proposed to explain the binaries LB-1 and HR 6819. Though it likely does not contain a black hole, NGC 1850 BH1 provides an interesting test case for binary evolution models, particularly given its membership in a cluster of known age.

研究动机与目标

• 重新评估NGC 1850 BH1中不可见伴星的本质，此前推断其为11 M⊙黑洞。
• 基于其观测半径和轨道周期，挑战该径向速度变星为正常5 M⊙亚巨星的假设。
• 评估该系统的光变与光谱数据是否与正常主序星伴星而非黑洞一致。
• 研究可能在近距离双星系统中形成膨胀的低质量剥离恒星的演化路径。
• 利用星团已知年龄约束原初供体恒星的质量，并检验双星演化模型。

提出的方法

• 应用洛希瓣填充恒星的轨道周期-密度关系，从椭球形变幅推断供体恒星的密度。
• 利用HST/WFC3测光数据和MIST等离子体等距线，结合消光和金属丰度修正，约束供体恒星的有效温度、半径和质量。
• 使用MESA模拟系统演化，构建初始质量为4.8 M⊙和3 M⊙、初始周期为5天的阿尔戈尔型双星的质量转移过程。
• 检验观测到的轨道周期、供体半径和质量函数是否与正常主序星伴星一致。
• 评估未分辨的明亮伴星对光变与光谱测量的影响。
• 将该系统的特性与LB-1和HR 6819进行比较，这两个系统也曾被错误分类为黑洞候选体。

实验结果

研究问题

• RQ1 NGC 1850 BH1的观测径向速度变化和椭球形光变曲线能否由一颗低质量剥离恒星而非5 M⊙亚巨星解释？
• RQ2 在洛希瓣溢出假设下，基于其观测半径和轨道周期，供体恒星的最大可能质量是多少？
• RQ3 一个正常主序星伴星（2.5–5 M⊙）是否与观测到的质量函数、径向速度振幅以及缺乏X射线辐射一致？
• RQ4 何种演化路径可产生一个周期为5天的双星系统中膨胀的低质量氦核心恒星？
• RQ5 为何NGC 1850 BH1缺乏LB-1和HR 6819等类似系统中常见的发射线？这又对质量转移和自转过程有何启示？

主要发现

• NGC 1850 BH1中供体恒星的半径为5.8 ± 0.3 R⊙，其密度过低，无法与5 M⊙亚巨星相容。
• 基于其半径和轨道周期，该恒星质量被约束在≈1 M⊙，而非5 M⊙，排除了其经历正常亚巨星演化路径的可能性。
• 推断的伴星质量降至(2.5–5) M⊙，完全与正常主序星一致，从而排除了11 M⊙黑洞的可能性。
• MESA模拟显示，4.8 M⊙主星可通过保守质量转移损失大部分包层，演变为膨胀的低质量、核心氦燃烧的sdOB型恒星。
• 该系统的特性最合理的解释是：一个经历质量转移后的双星系统，其状态与LB-1和HR 6819相似，但缺乏可探测的吸积盘或发射线。
• 缺乏X射线辐射与非吸积伴星一致，而发射线的缺失可能反映自转不足或吸积盘处于暂现状态。