[論文レビュー] Detecting the Birth of Supermassive Black Holes Formed from Heavy Seeds

Fabio Pacucci, Vivienne Baldassare+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 50被引用数 4

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、近い将来に運用予定の望遠鏡（JWST、Athena、Lynx）が、初期宇宙（z ≳ 10）における直接的ガス崩壊によって形成された重力的ブラックホール種（10⁴–10⁶ M☉）を検出可能であると提唱している。コンプトン薄および厚い状態を想定した赤外線およびX線の放射度をモデル化することで、JWSTでは1–10 deg⁻²、Lynxでは5–50 deg⁻²の検出可能な源を予測している。一方、LISAは4年間で10⁵ M☉の種の合体を2–20回検出できると予想される。

ABSTRACT

In this white paper we explore the capabilities required to identify and study supermassive black holes formed from heavy seeds ($\mathrm{M_{\bullet}} \sim 10^4 - 10^6 \, \mathrm{M_{\odot}}$) in the early Universe. To obtain an unequivocal detection of heavy seeds we need to probe mass scales of $\sim 10^{5-6} \, \mathrm{M_{\odot}}$ at redshift $z \gtrsim 10$. From this theoretical perspective, we review the observational requirements and how they compare with planned/proposed instruments, in the infrared, X-ray and gravitational waves realms. In conclusion, detecting heavy black hole seeds at $z \gtrsim 10$ in the next decade will be challenging but, according to current theoretical models, feasible with upcoming/proposed facilities. Their detection will be fundamental to understand the early history of the Universe, as well as its evolution until now. Shedding light on the dawn of black holes will certainly be one of the key tasks that the astronomical community will focus on in the next decade.

研究の動機と目的

• 初期宇宙（z ≳ 10）で直接崩壊によって形成された重力的ブラックホール種を検出するための観測能力を特定すること。
• 将来の赤外線（JWST）およびX線（Athena、Lynx）望遠鏡を用いたこれらの種の検出可能性を評価すること。
• 重力波観測（例：LISA）と電磁波観測の連携が、初期ブラックホール種の形成と進化を解明する上で果たす役割を評価すること。
• 理論的数密度と放射度感度限界の変動を考慮した場合の、検出可能なDCBHの期待される源数を定量化すること。

提案手法

• コンプトン薄およびコンプトン厚い吸収状態を考慮した、z ≳ 10における直接崩壊ブラックホール（DCBH）のスペクトルエネルギー分布およびX線放射のモデル化。
• 検出に必要な放射度密度の推定：赤外線（JWST）では10⁻¹⁶ erg s⁻¹ cm⁻²、X線（Athena）では10⁻¹⁶ erg s⁻¹ cm⁻²、（Lynx）では10⁻¹⁹ erg s⁻¹ cm⁻²。
• 理論的DCBH数密度（z ≈ 10で10⁻¹⁰–10⁻¹ Mpc⁻³）を用いて、1平方度あたりの観測可能な源数を予測。
• JWSTの10 ks露光における~1 μmでの放射度限界3×10⁻¹⁷ erg s⁻¹ cm⁻²を基に、JWSTの検出率を予測。
• z ≳ 8で10⁵ M☉の種の合体からの重力波信号に対するLISAの感度を評価し、信号対雑音比が約200であることを確認。
• 赤外線およびX線観測が、放射メカニズムと宿主環境の光学厚さ（列密度）を制約する上で果たす補完的役割を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 JWSTがz ≳ 10の赤外線領域で重力的ブラックホール種を検出するためには、どの程度の放射度感度が必要か？
• RQ2 中程度のDCBH数密度を仮定した場合、JWSTおよびLynxが1平方度あたりに検出可能なDCBHの数はどの程度か？
• RQ3 コンプトン厚いDCBHを検出するためのX線放射度限界は何か？ どのミッションがそれらを達成できるか？
• RQ4 LISAによる重力波検出は、初期ブラックホール種の集団的性質と合体率にどのような制約を課えるか？
• RQ5 電磁波（JWST、Athena、Lynx）と重力波（LISA）観測の間には、初期ブラックホール形成を研究する上でどの程度の連携効果が期待できるか？

主な発見

• 中程度のDCBH数密度を仮定した場合、JWSTはz ≳ 10で1–10個のDCBHを1平方度あたり検出できると予想される。これは放射度限界約3×10⁻¹⁷ erg s⁻¹ cm⁻²を前提としている。
• Lynxはz ≳ 10で1平方度あたり5–50個のDCBHを検出可能であり、感度が高いため、より低質量の種（約10⁵ M☉）を長時間露光で検出できる。
• Athenaの放射度感度は、z ≳ 10におけるコンプトン薄なDCBHを検出するのに十分であり、放射度密度が10⁻¹⁶ erg s⁻¹ cm⁻²以上である必要がある。
• コンプトン厚いDCBH（NH ≳ 1.5×10²⁴ cm⁻²）を検出するためには、放射度限界が約10⁻¹⁹ erg s⁻¹ cm⁻²である必要があり、これはLynxで達成可能である。
• LISAは4年間の運用で10⁵ M☉のブラックホール種の合体を2–20回検出できると予想され、信号対雑音比は約200である。
• 初期DCBHの放射メカニズムと列密度を完全に解明するには、赤外線（JWST）とX線（Athena、Lynx）観測を併用することが不可欠である。