论低金属丰度双星中 $33\,M_{\odot}$ 黑洞的形成

最近在距离太阳仅 590 pc 的一对周期为 11.6 年的双星中发现了一个 $33\,M_\odot$ 黑洞（BH）。该系统 Gaia BH3 包含一颗 $0.8\,M_\odot$ 的低金属丰度巨星（$\rm [M/H]=-2.2$），它是 ED-2 星流的成员。本文研究该系统是否可能通过孤立双星演化形成。我构建了初始质量在 $35-55\,M_{\odot}$ 之间的贫金属大质量恒星的演化模型，这些恒星作为红超巨星的最大半径可达 $1150-1800\,R_{\odot}$。然后我探讨了何种初始轨道、质量损失和初始反冲的组合能够产生 Gaia BH3 的周期和偏心率。足够宽以容纳作为红超巨星的 BH 前身星的初始轨道可以匹配观测到的周期和偏心率，但前提是 BH 形成时具有显著的初始反冲（$v_{\rm kick}\gtrsim 20\, {\rm km\,s^{-1}}$）。这些模型不受青睐，因为这样的反冲会将双星从 ED-2 前身星团中弹出。我得出结论，Gaia BH3 可能是通过动力学相互作用形成的，除非 BH 前身星没有膨胀成红超巨星。太阳附近只有大约万分之一的恒星具有与 Gaia BH3 一样低的金属丰度。这表明 BH 伴星在低金属丰度下显著过量存在，尽管与少数样本统计相关的注意事项仍然适用。Gaia BH3 中的亮星作为巨星——极大地提高了其可探测性——仅占该系统形成以来时间的 $\sim$1%，这意味着仍有额外的巨型 BH 有待被发现，其伴星仅稍暗一些。与 Gaia BH3 轨道相似的孤立和动力学形成的 BH 双星都有可能在 Gaia DR4 中被发现。