[論文レビュー] Astro2020 Science White Paper: The Local Relics of of Supermassive Black Hole Seeds

Jenny E. Greene, Aaron J. Barth+19 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2019

Adaptive optics and wavefront sensing被引用数 4

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、近隣の銀河および星団における高精度のアストロメトリーと統合フィールド分光計測を用いて、10³–10⁵ M☉ の範囲にある中質量ブラックホール（IMBH）を動的に検出するため、30メートル級の極大望遠鏡（ELT）の利用を提唱している。ELTは、最初のボリューム制限付きIMBHの全貌を明らかにし、重い種と軽い種の形成メカニズムの区別を可能にするとともに、ブラックホール質量関数の進化における欠落している一環を解消する。

ABSTRACT

We have compelling evidence for stellar-mass black holes (BHs) of ~5-80 M_sun that form through the death of massive stars. We also have compelling evidence for so-called supermassive BHs (10^5-10^10 M_sun) that are predominantly found in the centers of galaxies. We have very good reason to believe there must be BHs with masses in the gap between these ranges: the first ~10^9 M_sun BHs are observed only hundreds of millions of years after the Big Bang, and all theoretically viable paths to making supermassive BHs require a stage of "intermediate" mass. However, no BHs have yet been reliably detected in the 100-10}^5 M_sun mass range. Uncovering these intermediate-mass BHs of 10^3-10^5 M_sun is within reach in the coming decade. In this white paper we highlight the crucial role that 30-m class telescopes will play in dynamically detecting intermediate-mass black holes, should they exist.

研究の動機と目的

• 星質量ブラックホールと超大質量ブラックホールの間の観測的ギャップを埋めるために、10³–10⁵ M☉ の範囲にある中質量ブラックホール（IMBH）を検出すること。
• 次世代の望遠鏡を用いて、低質量銀河、球状星団、銀河核におけるIMBHの占有率と質量関数を特定すること。
• 観測されたIMBH質量関数を測定することで、直接的ガス崩壊による重い種や、動的ランウェイによる種の形成といった、競合する理論的モデルを検証すること。
• 重力波探索（例：LISA）や潮汐破壊イベント調査（例：LSST）を含むマルチメッセンジャーアストロノミーと連携し、動的質量測定を提供することで、IMBHの合体率と検出可能性を制限すること。
• 科学的アクセス性と再現可能性を確保するため、IMBHデータの動的モデリングに向けたオープンソースのソフトウェアツールを開発すること。

提案手法

• 30メートル級のELTに適応光学を組み合わせ、10 mas未満の角分解能（約4 mas/ピクセル）を達成し、球状星団および銀河核における星の運動を高精度でアストロメトリーする。
• 3–4年間の期間を有する複数エポックのアストロメトリックモニタリングを実施し、1エポックあたり12回の露光を実施することで、150 m s⁻¹未満の誤差で運動速度を測定し、10³ M☉ のIMBHの3σ検出を可能にする（速度分散の増大を根拠とする）。
• R ≥ 8000（最大10,000）の分光計測を実施し、近赤外域（COバンドヘッド2.29 μm、Ca II三重線8500 Å）の運動学をマッピングすることで、低質量系におけるIMBHの動的影響半径を解明する。
• 北半球および南半球のELTを用いて、5 Mpc圏内の近隣銀河を標的とし、ミルキーウェイおよびM31の球状星団、ローカルグループの矮星銀河（例：NGC 205、NGC 185）、低質量スパイラル銀河を対象とする。
• 高分解能の運動学的モデリングを適用し、核星集団における星の速度分散および視線方向速度プロファイルからブラックホール質量を推定する。
• 再現可能性とコミュニティ全体へのアクセスを確保するため、IMBHデータの動的モデリングに向けたオープンで共有可能なソフトウェアを開発・支援する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ローカルボリューム内における低質量銀河および球状星団における中質量ブラックホール（IMBH）の真の占有率は何か？
• RQ2 30メートル級の望遠鏡は、高精度のアストロメトリーと分光計測を用いて、10³–10⁵ M☉ の範囲にあるIMBHを検出可能か？
• RQ3 観測された質量関数および空間的分布は、直接的崩壊による重い種や、星の残骸による軽い種の形成メカニズムをどのように区別するか？
• RQ4 近隣系におけるIMBHの動的測定は、LISAなどの宇宙望遠鏡による重力波検出器の合体率と検出可能性をどの程度制限するか？
• RQ5 重力波リコイルおよび環境的要因が星団からIMBHを排除する役割を果たす場合、ELT観測はこれらの予測をどのように検証できるか？

主な発見

• ELTは10 mas未満の角分解能を達成し、5 Mpcまでの距離に位置する10⁴–10⁵ M☉ のブラックホールの動的影響半径を検出可能にする。
• 球状星団内に10³ M☉ のIMBHを3σで検出するには、運動速度の誤差が150 m s⁻¹未満である必要があり、4年間の3エポックと1エポックあたり12回の露光で達成可能である。
• 核星集団における速度分散を15–20 km s⁻¹まで測定可能にするには、分光計測の分解能R ≥ 8000が必要であり、これにより約10⁴ M☉のIMBHの検出が可能になる。
• 球状星団内におけるIMBHの動的影響半径は約1–2弧秒であり、現在のAOイメージャーの視野（0.5–1弧分）内に位置するため、容易に観測可能な標的となる。
• 30メートル級ELTによる高精度アストロメトリーは、現在の8–10メートル望遠鏡と比較して、検出限界をほぼ1桁改善する。
• ELTのアストロメトリーと分光計測の組み合わせにより、最初のボリューム制限付きIMBHの全貌が得られ、理論的種形成モデルとの直接比較と初期ブラックホール成長の制限が可能になる。