黑洞在高質量X射線雙星和引力波源中的共同起源

核心概念

高質量X射線雙星(HMXB)中的黑洞和引力波探測到的黑洞可能來自同一個群體,儘管它們在質量和自旋上有所不同。這種差異可以通過考慮形成環境的金屬豐度差異來解釋。

摘要

本文探討了HMXB中的黑洞和引力波探測到的黑洞之間的差異,並提出它們可能來自同一個群體。

1. 質量差異:

• HMXB中的黑洞質量較低(~20 Msun),而引力波探測到的黑洞質量較高(~3-100 Msun)。
• 這是由於HMXB位於金屬豐度較高的星系,其前身恆星在塌縮前經歷了較強的質量損失,而引力波探測到的黑洞可能來自金屬豐度較低的星系,其前身恆星保留了更多質量。

2. 自旋差異:

• HMXB中的黑洞通常被認為自旋很高(a_BH > 0.9),而引力波探測到的黑洞大多自旋較低(a_BH ~ 0.1-0.2)。
• 這種差異很難解釋,因為恆星演化模型預測大多數黑洞應該自旋較低。
• 作者提出,HMXB中黑洞自旋值的高估可能是由於對X射線光譜的建模方式存在問題。
• 如果考慮黑洞周圍存在一層溫暖的康普頓散射層,則HMXB中的黑洞自旋也可能較低(a_BH ~ 0.1),與引力波探測結果一致。

總之,作者認為HMXB中的黑洞和引力波探測到的黑洞可能來自同一個群體,只是形成環境的差異導致了質量和自旋的差異。

統計資料

引力波探測到的黑洞質量範圍為3-100 Msun。
引力波探測到的黑洞有效自旋參數分布峰值約為0.05,但也有少數高自旋(>0.3)和中等負自旋(-0.3 < χ_eff < -0.1)的事件。
HMXB中已知的三個黑洞質量分別為:Cyg X-1 (21.2 Msun)、LMC X-1 (10.9 Msun)和M33 X-7 (11.4 Msun)。
過去的研究得出Cyg X-1和LMC X-1黑洞自旋很高(a_BH > 0.9),而M33 X-7黑洞自旋也較高(a_BH = 0.84)。

引述

"LVK interferometers have detected gravitational waves from ∼70 double black hole (BH-BH) mergers (The LIGO Scientific Collaboration et al. 2023)."
"Out of these 70 mergers, 6 of them show high positive effective spins χ_eff > 0.3 (mean), while none show a high negative spin χ_eff < -0.3."
"Cyg X-1 aBH > 0.95 (e.g. Miller-Jones et al. 2021; Gou et al. 2014) and LMC X-1 aBH = 0.92 (Tripathi et al. 2020; Gou et al. 2009)"

從以下內容提煉的關鍵洞見

Common origin for black holes in both high mass X-ray binaries and gravitational-wave sources

by K.Belczynski... 於 arxiv.org 10-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2111.09401.pdf

深入探究

為什麼引力波探測到的黑洞和HMXB中的黑洞會有如此大的質量差異?這種差異是否意味著它們來自不同的形成途徑?

引力波探測到的黑洞（BH）和高質量X射線雙星系統（HMXB）中的黑洞之間的質量差異主要源於它們所處的環境和金屬豐度的不同。HMXB中的黑洞通常位於金屬豐度較高的星系中，這些環境中的恆星在演化過程中會經歷強烈的質量損失，導致形成的黑洞質量相對較低，通常在20 M⊙左右。而引力波探測到的黑洞則來自於低金屬豐度的星系，這些星系中的恆星在核心崩潰時能夠形成質量更大的黑洞，質量可達100 M⊙。因此，這種質量差異並不一定意味著它們來自不同的形成途徑，而是反映了不同的環境條件和金屬豐度對恆星演化的影響。

如果HMXB中的黑洞真的自旋較低,那麼之前的研究為什麼會得出它們自旋很高的結論?這種差異是否可能源於對X射線光譜的建模方式?

之前的研究得出HMXB中的黑洞自旋很高的結論，主要是基於對X射線光譜的建模，特別是使用了標準的光碟模型來估算黑洞自旋。這些模型假設了黑洞周圍存在一個標準的吸積光碟，並且根據光碟的內部邊界（即最內穩定圓軌道，RISCO）來推算自旋。然而，實際上，HMXB中的黑洞如Cyg X-1並未被觀測到處於軟X射線光譜狀態，這使得標準模型的假設不再適用。當考慮到光碟可能被一層溫暖的康普頓化層覆蓋時，這種模型的適用性會受到挑戰，並且可以解釋為什麼自旋值會被高估。因此，這種差異確實可能源於對X射線光譜的建模方式，特別是對於光碟結構的假設。

除了金屬豐度和恆星演化過程,還有哪些其他因素可能導致引力波探測到的黑洞和HMXB中黑洞的差異?

除了金屬豐度和恆星演化過程外，其他可能導致引力波探測到的黑洞和HMXB中黑洞差異的因素包括：

環境密度：引力波源通常來自於低密度環境中的恆星系統，而HMXB則多存在於較高密度的星系中，這可能影響到恆星的形成和演化路徑。
雙星系統的動力學：在密集的星團中，雙星系統的動力學交互作用可能導致黑洞的合併和自旋的增強，而在HMXB中，這種交互作用較少。
吸積過程：黑洞的吸積過程和吸積率也會影響其自旋，特別是在HMXB中，吸積的物質來源和方式可能與引力波源不同。
恆星的初始質量和組成：恆星的初始質量和組成會影響其演化路徑，進而影響最終形成的黑洞質量和自旋。

這些因素共同作用，導致了引力波探測到的黑洞和HMXB中黑洞之間的顯著差異。