[論文レビュー] Electromagnetic Window into the Dawn of Black Holes

Zoltán Haiman, W. N. Brandt+29 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2019

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、将来の望遠鏡（例：JWST や次世代 X線天文台）を用いた深宇宙 X線および光学/赤外線サーベイが、z > 10 で 10⁴–10⁵ M☉ の低質量ブラックホールを検出可能であり、ブラックホール種の形成を直接的な電磁気的プローブとして提供すると提案している。10⁵ M☉ を超えて成長する前までにこれらの初期の巨大ブラックホールを観測することで、直接的崩壊や星質量種の形成といった競合する形成メカニズムを区別することができ、宇宙初期に急速に形成された超大質量ブラックホールの謎を解明する手がかりが得られる。

ABSTRACT

Massive 10^6-10^10 Msun black holes (BHs) are ubiquitous in local galactic nuclei. They were common by the time the Universe is several Gyr old, and many of them were in place within the first 1~Gyr after the Big Bang. Their quick assembly has been attributed to mechanisms such as the rapid collapse of gas into the nuclei of early protogalaxies, accretion and mergers of stellar-mass BHs accompanying structure formation at early times, and the runaway collapse of early, ultra-dense stellar clusters. The origin of the early massive BHs remains an intriguing and long-standing unsolved puzzle in astrophysics. Here we discuss strategies for discerning between BH seeding models using electromagnetic observations. We argue that the most direct answers will be obtained through detection of BHs with masses M<10^5 Msun at redshifts z>10, where we expect them to first form. Reaching out to these redshifts and down to these masses is crucial, because BHs are expected to lose the memory of their initial assembly by the time they grow well above 10^5 Msun and are incorporated into higher-mass galaxies. The best way to detect 10^4-10^5 Msun BHs at high redshifts is by a sensitive X-ray survey. Critical constraining power is augmented by establishing the properties and the environments of their host galaxies in deep optical/IR imaging surveys. Required OIR data can be obtained with the JWST and WFIRST missions. The required X-ray flux limits (down to 10^{-19} erg/s/cm^2) are accessible only with a next-generation X-ray observatory which has both high (sub-1") angular resolution and high throughput. A combination of deep X-ray and OIR surveys will be capable of probing several generic markers of the BH seed scenarios, and resolving the long-stanging puzzle of their origin. These electromagnetic observations are also highly synergistic with the information from LISA on high-z BH mergers.

研究の動機と目的

• 宇宙初期に存在する最初のブラックホール、特に赤方偏移 z > 10 で質量が 10⁵ M☉ 未満のものを特定・特徴づけること。
• ビッグバン後約10億年以内に超大質量ブラックホールが急速に形成された理由という長年の謎を解明すること。
• 直接的崩壊や星質量種の形成といった競合するブラックホール種形成メカニズムを、電磁気的観測によって区別すること。
• 将来の観測施設（JWST、WFIRST、次世代 X線望遠鏡など）が初期ブラックホール形成を探査する上で果たす重要な役割を確立すること。

提案手法

• 10⁻¹⁹ erg/s/cm² のフラックス限界まで敏感な X線サーベイを実施し、高赤方偏移ブラックホールを検出すること。
• JWST や WFIRST からの深宇宙光学および赤外線（OIR）画像データと X線データを統合し、ブラックホールの宿主銀河の性質や環境を調査すること。
• X線観測において高い角分解能と高いスループットを活用し、曇りの少ない状態で微弱で高赤方偏移の源を解像すること。
• 候補ブラックホールのスペクトルエネルギー分布および X線輝度を分析し、質量と降着状態を推定すること。
• 観測されたブラックホールの人口統計と宿主銀河の特性を、ブラックホール種形成理論モデルと照合すること。
• LISA からの重力波データと統合し、合体歴史や種形成シナリオの妥当性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙最初の巨大ブラックホールの主な形成メカニズムは何か—ガスの直接的崩壊か、星質量種からの成長か？
• RQ2 z > 10 での電磁気的観測は、10⁵ M☉ を超えて成長する前までに、さまざまなブラックホール種モデルをどのように区別できるか？
• RQ3 初期宇宙における 10⁴–10⁵ M☉ ブラックホールの期待される X線および OIR の特徴は何か？ そして、将来の望遠鏡でどのように検出可能か？
• RQ4 初期ブラックホールの宿主銀河の性質は、それらの形成経路や成長歴をどのように制約するか？
• RQ5 電磁気的観測は、高赤方偏移ブラックホールの合体歴を調査する LISA の重力波データとどの程度相乗効果を発揮できるか？

主な発見

• 10⁵ M☉ を超えて成長する前までに、質量が 10⁵ M☉ 未満のブラックホールを z > 10 で検出することは不可欠であり、それらは成長を経てこの質量スケールを超える前に初期の形成メカニズムの痕跡を保持しているからである。
• 高赤方偏移ブラックホールを検出するための必要フラックス限界 10⁻¹⁹ erg/s/cm² に到達するには、サブ・アーカンセグメント未満の角分解能と高いスループットを持つ次世代 X線天文台が必要である。
• JWST や WFIRST を用いた深宇宙光学および赤外線サーベイは、宿主銀河の特定とその物理的性質の測定に不可欠であり、ブラックホール種モデルの制約に貢献する。
• 深宇宙 X線および OIR サーベイの組み合わせにより、降着レート、宿主銀河質量、合体歴といった、さまざまなブラックホール種シナリオの一般的な兆候を調査できる。
• 初期ブラックホールの電磁気的観測は、高赤方偏移ブラックホール合体を LISA が検出するのと強く相乗効果を発揮し、超大質量ブラックホールの起源を多メッセンジャー的手法で解明可能である。
• これらの初期で低質量のブラックホールが検出されない限り、その後の成長に伴い初期種のシグナルが消失するため、競合する形成モデルの区別は解決しないまま残る。