[论文解读] Why NS and BH mass distribition is bimodal?

М. Е. Прохоров, К. А. Постнов|CERN Bulletin|Oct 8, 2001

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 5

一句话总结

本文提出，中子星（NS）和黑洞（BH）的双峰质量分布源于仅在中子星形成核心中、且磁场放大 timescale 足够长（$t_B > t_\nu$）的磁旋转超新星爆炸机制，结合一个导致最大质量接近 1.5–1.6 $M_\odot$ 的软中子星方程态。该机制选择性地将低质量 NS 前体的包层抛射，而在直接坍缩成 BH 的高质质量前体中失效，从而自然产生两个明显不同的质量峰：低质量 NS 和大质量 BH，与观测结果一致。

ABSTRACT

The observed mass distribution for the compact remnants of massive stars (neutron stars and black holes) and its relationship to possible mechanisms for the ejection of the envelopes of type II and Ib/c supernovae is analyzed. The conclusion is drawn that this distribution can be obtained only by a magneto-rotational mechanism for the supernovae with sufficiently long time of the field amplification, and a soft equation of state for neutron stars with limiting masses \sim1.5-1.6M_\odot. Some consequences of this hypothesis are discussed.

研究动机与目标

• 解释观测到的中子星与黑洞的双峰质量分布，该现象与大质量恒星核心的单调质量分布相矛盾。
• 解决观测到的 NS 质量范围狭窄（1.35±0.15 $M_\odot$）与 1.5–3 $M_\odot$ 范围内无 NS 存在之间的矛盾，尽管前体核心质量呈单调分布。
• 识别导致核心坍缩超新星中包层抛射的物理机制，从而产生这种双峰结果。
• 检验在特定条件下，磁旋转机制是否能再现观测到的质量分布。

提出的方法

• 通过两种路径模拟大质量恒星的核心坍缩：对 $M > M_{\mathrm{dir}}$ 的情况为直接形成黑洞，对 $M_{\mathrm{OV}} < M < M_{\mathrm{dir}}$ 的情况为形成热的原初中子星，随后冷却或坍缩。
• 应用磁旋转超新星爆炸机制，该机制依赖于由旋转能量产生的环向磁场，并随时间线性增长（$t_B$）。
• 将磁场放大 timescale（$t_B$）与热原初中子星的中微子冷却 timescale（$t_\nu$）进行比较，以判断是否发生包层抛射。
• 采用软中子星方程态，其最大质量 $M_{\mathrm{OV}} \approx 1.5$–1.6 $M_\odot$，以设定 NS 质量分布的上限。
• 评估结果：若 $t_B > t\_\nu$，则在高质质量前体中不发生爆炸，导致直接形成黑洞；若 $t_B < t_\nu$，则发生爆炸并抛射包层，形成低质量中子星。
• 评估由此产生的致密天体质量分布，并与 NS 和 BH 质量的观测数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何尽管前体核心质量呈单调分布，却在 1.5 至 3 $M_\odot$ 之间缺乏中子星？
• RQ2 何种物理机制可从连续分布的前体质量中产生致密残骸（NS 与 BH）的双峰质量分布？
• RQ3 磁场放大时间与原初中子星冷却时间的相对关系如何决定包层是否抛射，从而影响最终残骸质量？
• RQ4 观测到的 NS 质量分布对中子星物质状态方程施加了何种约束？
• RQ5 在特定条件下，磁旋转机制是否能自然解释观测到的低质量 NS 与大质量 BH 群体之间的分离？

主要发现

• 双峰 NS/BH 质量分布仅在磁场放大 timescale（$t_B$）超过原初中子星中微子冷却 timescale（$t_\nu$）时才会出现。
• 当 $t_B > t_\nu$ 时，高质质量前体（$M_{\mathrm{OV}} < M < M_{\mathrm{dir}}$）直接坍缩为黑洞，不发生爆炸，形成质量接近前体核心质量的大质量黑洞。
• 当 $t_B < t_\nu$ 时，磁旋转爆炸抛射包层，形成质量接近中子星最大质量（$M_{\mathrm{OV}} \approx 1.5$–1.6 $M_\odot$）的低质量中子星。
• 观测到的 NS 质量分布与软状态方程一致，其 $M_{\mathrm{OV}} \approx 1.5$–1.6 $M_\odot$，该值设定了 NS 质量峰的上限。
• 该模型预测，通过吸积诱导坍缩形成的黑洞质量应接近 $M_{\mathrm{OV}}$，且此类天体可能在低质量 X 射线双星中被探测到。
• 该模型预测，黑洞残骸的空间速度应低于中子星，且含中子星的超新星遗迹应具有轴对称性，而黑洞残骸则能量较低。