[论文解读] Shedding light on the black hole mass spectrum

Mario Spera, Nicola Giacobbo+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 6

一句话总结

本文提出SEVN，一种新型的群体合成代码，整合了最新的恒星风模型和超新星爆发机制，以预测恒星级黑洞（BH）的质量谱。结果表明，在低金属度（Z ≲ 2×10⁻⁴）条件下，当包含对超新星（PISNe）时，黑洞质量可高达∼100 M⊙，显著超过旧模型的预测。

ABSTRACT

The mass spectrum of stellar black holes (BHs) is highly uncertain. Theoretical models of BH formation strongly depend on the efficiency of stellar winds of the progenitor star and on the supernova (SN) explosion mechanism. We discuss the BH mass spectrum we obtain using SEVN, a new public population-synthesis code that includes up-to-date stellar-wind prescriptions and several SN explosion models. Our models indicate a sub-solar metallicity environment for the progenitors of the gravitational wave source GW150914. We show that our models predict substantially larger BH masses (up to ~100 Msun) than other population synthesis codes, at low metallicity. In this proceeding, we also discuss the impact of pair-instability SNe on our previously published models.

研究动机与目标

• 通过结合现代恒星演化和SN爆发方案，改进群体合成模型，以解决恒星级黑洞质量谱中的不确定性。
• 研究对超新星（PISNe）在塑造黑洞质量函数上限中的作用。
• 将SEVN的预测与SSE等现有代码以及GW150914的观测约束和动力学测量结果进行比较。
• 评估金属度对大质量黑洞形成的影响，特别是低-Z环境中的影响。

提出的方法

• SEVN使用表格化的PARSEC恒星等效年龄轨迹，对初始质量与金属度网格上的恒星演化轨迹进行实时插值。
• 它整合了五种超新星爆发模型，包括延迟型、快速型和基于致密性的机制（O’Connor & Ott 2011；Ertl et al. 2016），以预测致密残骸的质量。
• 通过假设CO核心质量≥45 M⊙（氦质量≥65 M⊙）的恒星完全解体，来模拟对超新星（PISNe），从而在该质量范围内阻止黑洞形成。
• 氦质量>135 M⊙的恒星被假定为直接坍缩成黑洞，不经历爆发。
• SEVN与N体代码（如starlab、higpus）耦合，用于在恒星群体的动力学模拟中使用。
• 通过将SEVN输出与SSE和观测数据（包括GW150914和动力学黑洞质量测量）进行比较，验证了预测结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用更新的恒星风和超新星爆发模型时，在低金属度环境中可形成的最大黑洞质量是多少？
• RQ2 对超新星（PISNe）如何影响群体合成模型中黑洞质量函数的上限？
• RQ3 SEVN的预测与旧的群体合成代码（如SSE）有何不同，特别是在中子星与黑洞之间的质量间隙区域？
• RQ4 基于黑洞质量预测，GW150914的前身星最符合哪种金属度环境？
• RQ5 不同的超新星爆发模型（如快速型与延迟型）在多大程度上影响低质量黑洞的形成以及质量间隙的存在？

主要发现

• 在Z = 0.02时，SEVN预测的最大黑洞质量约为∼25 M⊙，在Z = 0.002时增至∼60 M⊙，在Z = 2×10⁻⁴时包含PISNe后可达∼100 M⊙。
• 对于初始质量高达350 M⊙的情况，在Z ≲ 2×10⁻⁴时，最大黑洞质量可达∼275 M⊙，表明极高质量黑洞可在低金属度环境中形成。
• 包含PISNe后，150 M⊙ ZAMS极限下的最大黑洞质量从无PISNe时的∼130 M⊙降至有PISNe时的∼100 M⊙，这是由于中等质量前身星被完全解体。
• 快速SN模型在∼2 M⊙与∼5 M⊙之间产生一个明显的质量间隙，与观测中暗示的最重中子星与最轻黑洞之间的间隙一致。
• 由于改进了恒星风和超新星爆发方案，SEVN预测的黑洞质量显著高于旧代码（如SSE），尤其是在低金属度条件下。
• GW150914的前身星最可能源于亚太阳金属度环境（Z ≲ 0.001），与模型预测的低Z下大质量黑洞形成一致。