[论文解读] The mass spectrum of compact remnants from the PARSEC stellar evolution tracks

Mario Spera, Michela Mapelli+1 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文提出SEVN，一种将PARSEC恒星演化轨迹与更新的超新星爆发模型相结合的群体合成代码，用于预测致密残骸的质量函数。由于PARSEC模型在低金属度下产生更大的碳氧核心质量，导致黑洞质量显著提高——在Z = 2×10⁻⁴时最高可达130 M⊙，且大质量恒星的质量损失占主导地位，而超新星爆发方案则主导中子星与黑洞之间的过渡。

ABSTRACT

The mass spectrum of stellar-mass black holes (BHs) is highly uncertain. Dynamical mass measurements are available only for few ($\sim{}10$) BHs in X-ray binaries, while theoretical models strongly depend on the hydrodynamics of supernova (SN) explosions and on the evolution of massive stars. In this paper, we present and discuss the mass spectrum of compact remnants that we obtained with SEVN, a new public population-synthesis code, which couples the PARSEC stellar evolution tracks with up-to-date recipes for SN explosion (depending on the Carbon-Oxygen mass of the progenitor, on the compactness of the stellar core at pre-SN stage, and on a recent two-parameter criterion based on the dimensionless entropy per nucleon at pre-SN stage). SEVN can be used both as a stand-alone code and in combination with direct-summation N-body codes (Starlab, HiGPUs). The PARSEC stellar evolution tracks currently implemented in SEVN predict significantly larger values of the Carbon-Oxygen core mass with respect to previous models. For most of the SN recipes we adopt, this implies substantially larger BH masses at low metallicity ($\leq{}2 imes{}10^{-3}$), than other population-synthesis codes. The maximum BH mass found with SEVN is $\sim{}$25, 60 and 130 M$_{\odot}$ at metallicity $Z =2 imes{} 10^{-2}$ , $2 imes{}10^{-3}$ and $2 imes{} 10^{-4}$ , respectively. Mass loss by stellar winds plays a major role in determining the mass of BHs for very massive stars ($\geq{}90$ M$_\odot{}$), while the remnant mass spectrum depends mostly on the adopted SN recipe for lower progenitor masses. We discuss the implications of our results for the transition between NS and BH mass, and for the expected number of massive BHs (with mass $>25$ M$_\odot{}$) as a function of metallicity.

研究动机与目标

• 使用更新的恒星演化与超新星爆发方案，模拟恒星级黑洞与中子星的质量谱。
• 研究金属度与超新星爆发物理过程对大质量黑洞（MSBH）形成的影响。
• 评估改进的恒星风质量损失与核心结构对残骸质量分布的影响。
• 将SEVN的预测与现有群体合成代码及致密残骸质量的观测约束进行比较。
• 评估其对低金属度环境中X射线双星群体与引力波源的影响。

提出的方法

• SEVN整合了PARSEC恒星演化轨迹，该轨迹在低金属度下预测的最终质量与碳氧核心质量高于旧模型。
• 采用基于前身星致密性、碳氧核心质量及预超新星阶段每核子的无量纲熵的最新超新星爆发方案。
• 代码使用Fryer et al. (2012)、O’Connor & Ott (2011) 与 Ertl et al. (2015) 的超新星模型，以确定吸积与残骸质量结果。
• 恒星风质量损失采用与金属度相关的方案建模，尤其对≥90 M⊙的恒星至关重要。
• 代码通过已知X射线双星黑洞质量进行验证，并与SSE与StarlabMM代码进行比较。
• SEVN设计为可独立运行，亦可与N体代码（如Starlab与HiGPUs）接口，用于星团模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 与以往模型相比，PARSEC恒星演化轨迹如何影响致密残骸质量的预测？
• RQ2 不同超新星爆发方案对黑洞与中子星质量分布有何影响？
• RQ3 金属度如何影响单星演化中大质量黑洞（M > 25 M⊙）的形成？
• RQ4 恒星风质量损失在多大程度上决定大质量恒星的黑洞质量？
• RQ5 在低金属度环境中，由大质量黑洞驱动的X射线双星比例预测为何？

主要发现

• 在Z = 2×10⁻⁴时，SEVN预测最大黑洞质量达130 M⊙，显著高于以往模型，原因在于PARSEC模型中碳氧核心质量更大。
• 在Z = 2×10⁻³时，最大黑洞质量约为60 M⊙；在Z = 0.02时，约为25 M⊙，反映出强烈的金属度依赖性。
• 对于≥90 M⊙的前身星，恒星风质量损失主导最终黑洞质量，与超新星爆发方案无关。
• 超新星爆发模型强烈影响中子星与黑洞之间的过渡：快速超新星或SeBa方案预测存在间隙，而延迟超新星方案则显示平滑过渡。
• 在低金属度下，SEVN产生的大质量恒星级黑洞（M > 25 M⊙）数量是SSE与StarlabMM的5至6倍，尤其在Z ≤ 2×10⁻³时更为显著。
• 使用SEVN方案时，低金属度星团中由大质量黑洞驱动的X射线双星比例可能显著更高，对引力波与X射线源的探测具有重要意义。