[论文解读] On the formation of exotic, massive, stellar-remnant black holes at solar and sub-solar metallicities through evolution of massive binaries

Sambaran Banerjee|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2019

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 5

一句话总结

本文研究了在双星演化过程中，通过黑洞泰勒-兹特科夫天体（BH-TZO）吸积形成极端大质量恒星起源黑洞（在太阳金属度下为50–80 M☉，在球状星团类似金属度下可达100 M☉）的机制。利用更新的BSE群体合成模型，研究发现此类大质量黑洞的形成需要在双星并合形成的低质量黑洞上实现超过70%的吸积效率，而黑洞自旋特性仍属推测，因缺乏流体动力学建模支持。

ABSTRACT

The recent inference of a 70M_sun black hole (BH) in the Galactic, detached binary LB-1 has sparked cross-disciplinary debate since a stellar remnant of such large mass is well above what can be expected from stellar-evolutionary theory, especially in an enriched environment like that of the Milky Way. This study focusses on the possibilities of formation of extraordinarily massive BHs at solar and globular cluster (GC)-like metallicities via evolution of massive stellar binaries. A population-synthesis approach is followed utilizing the recently updated BSE program. BHs in the mass range of 50M_sun-80M_sun could be formed at the solar metallicity only if a large fraction, >70%, of matter is allowed to accrete onto a low-mass BH, in a BH-star merger product (a "black hole Thorne-Zytkow object"; BH-TZO). Their counterparts at GC-like metallicities can reach 100 M_sun. Although post-accretion BHs can, generally, be expected to be of high spin parameter, they can potentially be of low spin in the case of a BH-TZO. This spin aspect remains speculative in this work and deserves detailed hydrodynamic studies.

研究动机与目标

• 研究在太阳金属度环境下形成极端大质量恒星起源黑洞（50–80 M☉）的形成路径，这些黑洞的质量超出了标准恒星演化理论的预测范围。
• 评估在双星并合残骸中，黑洞泰勒-兹特科夫天体（BH-TZO）吸积是否能够产生此类大质量黑洞。
• 探索在球状星团类似金属度（Z = 0.001）下，通过类似机制形成100 M☉黑洞的条件。
• 研究吸积后黑洞的自旋特性，特别是BH-TZO系统中黑洞的自旋特性，并评估其在高吸积率下仍可能保持低自旋的可能性。
• 评估通过场中双星演化或星团中动力学交换形成LB-1双星系统（70 M☉黑洞 + B型星）的动力学可行性。

提出的方法

• 使用更新的BSE双星演化代码进行群体合成模拟，对不同金属度（Z = Z☉ 和 Z = 0.05Z☉）下的10⁴个大质量双星系统进行建模。
• 引入BH-TZO吸积模型，即在恒星-恒星并合形成的黑洞从周围恒星包层中吸积质量，吸积效率可调（f_TZ）。
• 结合F12快速与F12延迟残骸形成模型，并采用Belczynski等人（2016）的PPSN/PSN模型，以确定黑洞和中子星残骸的质量。
• 纳入关键双星演化过程：公共包层抛射（吸积效率α可调）、质量转移及风质量损失，采用与金属度相关的参数化方案。
• 分析不同吸积与并合参数下的零时序主序质量–残骸质量关系，以识别实现极端大质量黑洞的条件。
• 将结果与观测到的LB-1黑洞质量（68⁺¹¹₋₁₃ M☉）及其轨道参数进行比较，评估不同形成情景的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在太阳金属度下，BH-TZO吸积是否能在双星并合残骸中形成50–80 M☉的黑洞？
• RQ2 在太阳金属度双星系统中，形成此类大质量黑洞所需的吸积效率（f_TZ）是多少？
• RQ3 在球状星团类似金属度（Z = 0.001）下，采用相同BH-TZO吸积模型时，黑洞质量如何变化？
• RQ4 通过BH-TZO吸积形成的黑洞预期具有怎样的自旋特性？与标准吸积盘情景相比有何不同？
• RQ5 LB-1双星系统（70 M☉黑洞 + B型星）是否可通过场中双星演化形成，还是必须依赖星团中的动力学起源？

主要发现

• 在太阳金属度（Z = 0.02）下，只有当超过70%的可用质量被吸积到双星并合形成的低质量黑洞上时，才能形成50–80 M☉的黑洞。
• 在球状星团类似金属度（Z = 0.001）下，BH-TZO吸积可形成高达约100 M☉的黑洞，显著超过标准单星演化理论的极限。
• 若无BH-TZO吸积，最大黑洞质量在Z = 0.02时约为40 M☉，在Z = 0.001时约为80 M☉，主要通过晚期恒星-恒星或双黑洞并合形成。
• BH-TZO系统中吸积后黑洞的自旋可能保持较低水平，原因在于缺乏标准吸积盘，但该结论仍属推测，需依赖广义相对论磁流体动力学（GRMHD）建模验证。
• LB-1的近圆形轨道对标准场中双星演化构成挑战，因为黑洞前身星很可能已膨胀至超过轨道分离距离，暗示其形成路径可能为动力学交换等替代机制。
• 通过低质量开放星团或球状星团中的交换过程可能形成此类双星系统，但需后续圆化过程以匹配观测到的低偏心率。