Unraveling the Origin of Unequal Mass Gravitational Wave Events: Insights from a Galactic High Mass X-ray Binary

Probleemstelling

De catalogus van zwaartekrachtgolf (GW) gebeurtenissen groeit snel, maar de oorsprong van uitzonderlijke gebeurtenissen met een zeer ongelijk massaverhouding blijft een uitdaging. Een opvallend voorbeeld is GW190814, een samensmelting tussen een compact object van ongeveer 2,6 $M_\odot$ en een zwart gat van ongeveer 23 $M_\odot$ (massaverhouding $q \approx 0,1$). De aanwezigheid van een compact object in de zogenaamde "lagere massalücke" (tussen zwaarste neutronensterren en lichtste zwarte gaten) en de extreme asymmetrie passen niet goed bij de meeste standaardvormingskanalen. Het is onduidelijk of dit een uitzondering is die wijst op een exotisch scenario, of een zeldzke uitkomst van een standaard evolutionair pad.

De auteurs stellen dat het bestuderen van lokale analogen in eerdere evolutionaire fasen cruciaal is om deze GW-bronnen te begrijpen. Ze richten zich op de Galactische High Mass X-ray Binary (HMXB) 4U 1700-37 / HD 153919, een systeem met een zeer zware ster (40-60 $M_\odot$) en een compact object met een geschatte massa van ongeveer 2 $M_\odot$. Dit systeem vertoont een vergelijkbare extreme ongelijkheid in massaverhouding en een jonge leeftijd, wat suggereert dat het een evolutionaire link kan hebben met GW190814.

Methodologie

De studie combineert waarnemingsdata met gedetailleerde numerieke modellering in twee hoofdfasen:

1. Reconstructie van de pre-Supernova (SN) toestand (Monte Carlo Simulaties):

   • De auteurs gebruiken Monte Carlo-simulaties om de eigenschappen van het HMXB 4U 1700-37 vóór de eerste supernova te reconstrueren.
   • Ze gebruiken waarnemingsbeperkingen zoals de huidige massa van de begeleider, de massa van het compacte object, de baanperiode (3,41 dagen) en de systemische snelheid ten opzichte van de geboortekluster NGC 6231.
   • Ze variëren parameters zoals de pre-SN massa, de hoeveelheid massa verloren tijdens de SN, en de grootte en richting van de geboorteschok (natal kick).
   • Doel: Bepalen welke pre-SN condities leiden tot de huidige waargenomen toestand.

2. Gedetailleerde Binair Evolutie Modellen (MESA):

   • Met de code MESA (Modules for Experiments in Stellar Astrophysics) worden gedetailleerde evolutiepaden berekend voor zowel het HMXB (op zonne-metalliciteit, $Z_\odot$) als voor GW190814-achtige systemen (op lagere metalliciteit, $Z = Z_\odot/10$).
   • De modellen omvatten convectie, overshooting, rotatie (in de accretor), windmassaverlies, en massatransfer (Case A en Case B).
   • Voor de toekomstige evolutie wordt de $\alpha\lambda$-formalism gebruikt om de uitkomst van een eventuele Common Envelope (CE) fase te analyseren, waarbij de bindingsenergie van de enveloppe wordt vergeleken met de beschikbare baanenergie.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

1. Evolutie van HMXB 4U 1700-37

• Vormingspad: De simulaties tonen aan dat het systeem is ontstaan uit een binair systeem met een initiële massaverhouding die minder extreem was. De donorster (de voorloper van het compacte object) onderging Case A massatransfer (terwijl de donor nog op de Main Sequence zat) naar de accretor.
• Massatransfer: Deze fase was grotendeels conservatief, wat leidde tot een omkering van de massaverhouding (de oorspronkelijk lichtere ster werd de zwaarste).
• Supernova en Schok: Om de huidige korte baanperiode en de hoge systemische snelheid te verklaren, moet het compacte object bij de supernova een gerichte geboorteschok (natal kick) van >100 km/s hebben ontvangen. Dit verklaart ook waarom de pre-SN massa van de donor < 13 $M_\odot$ was, ondanks de oorsprong in een jonge cluster met een hoge turn-off massa.
• Toekomst: Het HMXB zal geen GW-bron vormen. Wanneer de begeleiderster (HD 153919) zijn Roche-limb vult, zal de massatransfer instabiel zijn en leiden tot een Common Envelope fase. Vanwege de hoge bindingsenergie van de enveloppe van deze zware ster, zal de CE-fase falen, wat resulteert in een voortijdige samensmelting van de kernen in plaats van een gescheiden dubbel compact object.

2. Vorming van GW190814-achtige Gebeurtenissen

• Metalliciteitseffect: De auteurs tonen aan dat een vergelijkbaar evolutionair pad wel kan leiden tot GW190814-achtige systemen, maar dan bij lagere metalliciteit ($Z \approx 0,001$). Bij lagere metalliciteit is windmassaverlies zwakker, wat helpt bij het behouden van massa voor het zware zwart gat.
• Succesvolle CE-fase: Het cruciale verschil met het HMXB is de tijdstip van de tweede massatransfer. Voor een succesvolle CE-fase moet de begeleiderster de Roche-limb vullen wanneer hij een Rood Supergigant (RSG) is met een losjes gebonden convectieve enveloppe (radius > 1250 $R_\odot$). Dit verlaagt de bindingsenergie aanzienlijk, waardoor de CE-fase succesvol kan zijn en de enveloppe kan worden uitgeworpen.
• Rol van de Natal Kick: Net als bij het HMXB is een sterke geboorteschok (>100 km/s) op het eerste compacte object noodzakelijk. Deze schok moet de baan na de eerste supernova verbreden, zodat de begeleiderster later in zijn evolutie (als RSG) de Roche-limb kan bereiken.
• Eindresultaat: Dit leidt tot een compact binair systeem bestaande uit een licht object (NS of laag-massa BH) en een zwaar BH (~20 $M_\odot$) in een zeer nauwe baan. Door GW-straling zal dit systeem binnen ~80 Myr samensmelten, resulterend in een signaal vergelijkbaar met GW190814.
• Spin: De zware BH is het tweede geboren object. Vanwege de korte tijd tussen de CE-fase en de uiteindelijke instorting, en de inefficiënte spin-up door getijdenkrachten bij extreme massaverhoudingen, wordt verwacht dat deze BH een verwaarloosbare spin heeft. Dit is consistent met de waarnemingen van GW190814.

3. Snelheidsschatting

• Gebaseerd op het voorkomen van twee dergelijke HMXBs in de Melkweg (4U 1700-37 en GX 301-2), schatten de auteurs de lokale productiesnelheid van GW190814-achtige gebeurtenissen op ongeveer 0,56 Gpc$^{-3}$yr$^{-1}$.
• Deze schatting valt binnen een orde van grootte van de door LIGO/Virgo/KAGRA geschatte snelheid (1-23 Gpc$^{-3}$yr$^{-1}$), wat suggereert dat geïsoleerde binaire evolutie een plausibel kanaal is.

Betekenis en Conclusie

Dit werk biedt een geünificeerd vormingspad voor zowel extreem ongelijk massieve HMXBs in de Melkweg als GW190814-achtige gebeurtenissen. De belangrijkste inzichten zijn:

1. Locale Analogen: Het karakteriseren van lokale systemen in verschillende evolutionaire fasen is essentieel om de oorsprong van GW-bronnen te begrijpen, vooral voor uitschieters.
2. Rol van Natal Kicks: Een grote, gerichte geboorteschok is een kritieke, maar vaak onderschatte factor die bepaalt of een systeem een GW-bron wordt of niet.
3. Metalliciteit en CE-fase: De metalliciteit en het tijdstip van de Common Envelope fase (RSG-fase vs. Main Sequence) zijn bepalend voor het al dan niet slagen van de vorming van een dubbel compact object.
4. Spin van de BH: De lage spin van de primaire BH in GW190814 is consistent met het feit dat het het tweede geboren object is, wat de hypothese weerlegt dat het een eerste geboren object moet zijn.

De studie benadrukt dat uitschieters in GW-catalogi niet per se exotische oorsprongen vereisen, maar vaak het resultaat kunnen zijn van zeldzke, maar fysiek mogelijke combinaties van standaard evolutionaire processen (conservatieve massatransfer, sterke kicks, en specifieke CE-omstandigheden).