[论文解读] The formation of black-holes in low-mass X-ray binaries

Simon Portegies Zwart, F. Verbunt+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 1997

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 13

一句话总结

本文利用半解析模型和详细的双星演化模型，研究了低质量X射线双星（LMXBs）中黑洞的形成速率。研究发现，理论预测的形成速率比观测值低两个数量级，表明要么质量低于20 M⊙的恒星能够形成黑洞，要么双星恒星风引起的角动量损失远超当前假设的水平。

ABSTRACT

We calculate the formation rates of low-mass X-ray binaries with a black hole. Both a semi-analytic and a more detailed model predict formation rates two orders of magnitude lower than derived from the observations. Solution of this conundrum requires either that stars with masses less than 20M$_\odot$ can evolve into a black hole, or that stellar wind from a member of a binary is accompanied by a much larger loss of angular momentum than hitherto assumed.

研究动机与目标

• 使用双星演化模型确定理论黑洞形成速率，以低质量X射线双星（LMXBs）为研究对象。
• 将预测的形成速率与观测到的LMXB群体进行比较，以识别不一致之处。
• 探究当前恒星演化模型是否能够解释观测到的含有黑洞的LMXB数量。
• 探讨可能的物理机制，以调和理论与观测之间的差异，尤其关注质量损失与角动量的影响。
• 评估质量低于20 M⊙的恒星是否可能演化为黑洞，或当前对恒星风阶段角动量损失的理解是否被低估。

提出的方法

• 采用半解析模型，基于双星群体合成估算含有黑洞的LMXB形成速率。
• 使用更详细的双星演化代码，模拟导致LMXB形成的双星系统完整生命周期。
• 纳入关于质量转移、共同包层演化及恒星风质量损失的标准假设。
• 在标准恒星演化路径假设下，计算银河系中单位时间内预期形成的含有黑洞的LMXB数量。
• 将预测的形成速率与银河系中观测到的含有黑洞的LMXB数量进行比较。
• 评估替代物理机制的影响，如恒星风中增强的角动量损失，或黑洞形成质量阈值降低的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何理论模型预测的黑洞LMXB数量远少于银河系中的实际观测值？
• RQ2 标准双星演化模型能否再现观测到的黑洞LMXB群体？
• RQ3 哪些物理机制可能调和预测与观测的LMXB形成速率之间的差异？
• RQ4 在特定条件下，初始质量低于20 M⊙的恒星是否可能形成黑洞？
• RQ5 当前对恒星风阶段角动量损失的理解是否低估了其对双星演化的影响？

主要发现

• 理论预测的黑洞LMXB形成速率比银河系中观测到的数量低两个数量级。
• 半解析模型与详细双星演化模型的结果一致，表明与观测结果存在稳健的矛盾。
• 该矛盾无法通过恒星演化中的标准假设（尤其是质量损失与角动量输运）解决。
• 作者得出结论：要么初始质量低于20 M⊙的恒星必须具备形成黑洞的能力，要么恒星风必须携带远超当前模型估计的角动量。
• 观测到的LMXB群体表明，必须对双星演化理论中的基本假设进行修正。
• 本研究凸显了我们在双星系统中致密天体形成机制理解上的关键空白。