[論文レビュー] A multi-mass velocity dispersion model of 47 Tucanae : no evidence for an intermediate-mass black hole

Christopher Rhys Mann|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 3被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、短波長の光度測定と多質量成分を含む等方的ジェイムズモデルを用いて、球状星団47 Tucanaeの中心部に所在する50,000顆以上の恒星の正確な運動を分析した。観測された速度分散プロファイルは、凝縮した恒星残骸および二重星系が十分に説明でき、中間質量ブラックホール（IMBH）の存在に著しい証拠は見いだされず、IMBH質量とクラスタ質量比は0.06% ± 0.13%であった。

ABSTRACT

In this thesis we analyze stellar proper motions in the core of the globular cluster 47 Tucanae to explore the possibility of an intermediate-mass black hole (IMBH) influence on the stellar dynamics. Our use of short-wavelength photometry affords us an unprecedentedly clear view of stellar motions into the very centre of the crowded core, yielding proper motions for >50,000 stars in the central 2 arcminutes. We model the velocity dispersion profile of the cluster using an isotropic Jeans model. The density distribution is taken as a central IMBH point mass added to a combination of King profiles. We individually model the general low-mass cluster objects (main sequence/giant stars), as well as the concentrated populations of heavy binary systems and dark stellar remnants. Using un-binned likelihood model-fitting, we find that the inclusion of the concentrated populations in our model plays a crucial role in fitting for an IMBH mass. Taking into account all of these cluster sub-populations our model predicts an IMBH to cluster mass ratio of 0.06% +/- 0.13%. The concentrated binaries and stellar-mass black holes produce a sufficient enhancement to the velocity dispersion signal in the core as to make an IMBH unnecessary to fit the observations. We additionally determine that a stellar-mass black hole retention fraction of >18% becomes incompatible with our kinematic observations for 47 Tuc.

研究の動機と目的

• 中間質量ブラックホール（IMBH）が球状星団47 Tucanaeの中心部に与える動力学的影響を調査すること。
• 恒星の自己運動の運動学的観測がIMBHの存在を支持するかどうかを特定すること。
• 凝縮した恒星残骸および二重星系の集団が速度分散プロファイルに与える寄与を評価すること。
• クラスタ内に残存する恒星質量ブラックホールの割合を制約すること。

提案手法

• 2弧分以内のクラスタ中心部に位置する50,000顆以上の恒星について、短波長光度測定を用いて正確な自己運動を導出する。
• 等方的ジェイムズ動力学モデルを適用し、速度分散プロファイルを計算する。
• クラスタの密度分布を、中心部のIMBH点質量と複数のキングプロファイルの重ね合わせとしてモデル化する。
• 低質量星、凝縮した二重星系、および暗黒の恒星残骸の異なるサブ集団を組み込む。
• 観測された分布と予測された分布を比較するために、非バッチ化された尤度モデルフィッティングを用いる。
• 複数の恒星集団を同時にフィッティングすることで、各成分の動力学的寄与を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 47 Tucanaeの中心部における速度分散プロファイルは、観測された運動学的特性を説明するために中間質量ブラックホールを必要とするか？
• RQ2 凝縮した恒星残骸および二重星系の集団が、中心部の速度分散にどの程度寄与しているか？
• RQ3 観測された運動学的特性と整合する中間質量ブラックホール質量の上限は何か？
• RQ4 運動学的データは、恒星質量ブラックホールのクラスタ内残留率にどのような制約を課すか？

主な発見

• モデルに凝縮した恒星残骸および二重星系を組み込むことで、観測された中心部の速度分散が完全に説明され、IMBHの存在は不要である。
• 最良のフィット結果におけるIMBH-クラスタ質量比は0.06% ± 0.13%であり、1σの不確実性内ではゼロと一致する。
• 恒星質量ブラックホールの残留率が18%を超えることは、運動学的データによって排除される。
• モデルは、解明不能な暗黒サブ集団がIMBHの動力学的シグナルを模倣できることを示している。
• 速度分散プロファイルは、中心点質量を必要としない多質量ジェイムズモデルによって良好にフィットされる。
• 異なる集団モデリングの仮定にかかわらず、顕著なIMBHシグナルの欠如は一貫して確認された。