[論文レビュー] Formation of a Massive Black Hole at the Center of the Superbubble in M82

Satoki Matsushita, Ryohei Kawabe+6 more|CERN Bulletin|Nov 3, 2000

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、M82における星形成バーストが分子スーパーバブルを形成したことに起因し、密度の高い星団内で星質量ブラックホールの動的崩壊と星の合体が起こったことで、約460 M⊙の巨大ブラックホール（MBH）が形成されたと提案している。CO、13CO、HCNの観測により、核から140 pc離れた位置に中心をもつスーパーバブルが検出され、その位置はMBHおよび明るい星団と一致している。超新星のエネルギーと星の力学的挙動が、スーパーバブルの timescale 内に10²–10³ M⊙の範囲でMBH形成を支持している。

ABSTRACT

We performed 12CO(1-0), 13CO(1-0), and HCN(1-0) interferometric observations of the central region (about 450 pc in radius) of M82 with the Nobeyama Millimeter Array, and have successfully imaged a molecular superbubble and spurs. The center of the superbubble is clearly shifted from the nucleus by 140 pc. This position is close to that of the massive black hole (BH) of >460 Mo and the 2.2 micron secondary peak (a luminous supergiant dominated cluster), which strongly suggests that these objects may be related to the formation of the superbubble. Consideration of star formation in the cluster based on the infrared data indicates that (1) energy release from supernovae can account for the kinetic energy of the superbubble, (2) the total mass of stellar-mass BHs available for building-up the massive BH may be much higher than 460 Mo, and (3) it is possible to form the middle-mass BH of 100-1000 Mo within the timescale of the superbubble. We suggest that the massive BH was produced and is growing in the intense starburst region.

研究の動機と目的

• X線観測が460 M⊙以上の質量を示唆するM82の星形成バースト領域における巨大ブラックホール（MBH）の起源を調査する。
• CO、13CO、HCNの放射線で検出された分子スーパーバブルの運動学的・エネルギー的性質を分析し、MBH形成メカニズムを解明する。
• 2.2 μmの二次的ピークに位置する星形成バーストクラスタが、十分な数の星質量ブラックホールを有しており、それらの合体によって中間質量ブラックホール（10²–10³ M⊙）が形成可能かどうかを評価する。
• スーパーバブルの運動エネルギーと銀河核からの空間的オフセットが、密度の高いクラスタ環境における動的プロセスによるMBH形成と整合しているかどうかを検証する。
• MBHとスーパーバブルが因果関係を持つ可能性を検討する。すなわち、ブラックホール成長がバブルを引き起こすか、逆にバブルがMBH形成を促進するか。

提案手法

• Nobeyamaミリ波アレイ（NMA）を用いて、M82の中心450 pcを対象に、干渉計的12 CO(1–0)、13 CO(1–0)、HCN(1–0)観測を実施。3つの配置と6×10 mアンテナを用いた。
• 周波数115、110、89 GHzで、システム温度がそれぞれ約950 K（12 CO）、約850 K（13 CO）、約450 K（HCN）の可変周波数SIS受信機システムを採用。
• 12 COには512 MHz帯域（256チャンネル）の超高帯域帯域コher器（UWBC）を適用し、速度分解能は5.2 km s⁻¹。13 COおよびHCNには1024 MHz帯域（128チャンネル）を用い、速度分解能は22および27 km s⁻¹。
• バンドパス校正に3C273、位相・振幅校正には10分ごとに0923+392を用い、フラックススケールの不確実性は約20%。
• 位置-速度（PV）図とチャンネルマップを分析し、剛体回転からの逸脱を示す拡張構造を同定し、分子スーパーバブルの存在を特定。
• Virial定理とCO光度からH₂質量換算係数を用いて、スーパーバブルの全運動エネルギーを推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M82で観測された分子スーパーバブルは、最近の星形成バーストに起因する超新星エネルギーによって駆動されていると整合的か？
• RQ2 2.2 μmの二次的ピーククラスタにおける星質量ブラックホールの動的進化は、中間質量ブラックホール（10²–10³ M⊙）の形成を可能にするか？
• RQ3 スーパーバブル中心と銀河核の間のオフセットの原因は何か？ また、460 M⊙ブラックホールの位置と相関があるか？
• RQ4 密度の高いクラスタ環境における星の合体が、スーパーバブルを駆動できるハイパーサーナ爆発を引き起こし、MBHの種を提供できるか？
• RQ5 なぜこのクラスタにはMBHが存在するが、M82の中心部にある他の類似クラスタには存在しないのか？

主な発見

• 運動エネルギーが約10⁵¹ ergの分子スーパーバブルが検出され、その中心は銀河核から140 pcオフセットしており、460 M⊙ブラックホールおよび2.2 μm二次的ピーククラスタと一致している。
• スーパーバブルを駆動するに必要なエネルギー（約10⁵¹ erg）は、10³〜10⁴個の超新星の累積エネルギー出力と整合的であり、星形成バースト由来であると支持する。
• 2.2 μmピーククラスタには約4,000個の星質量ブラックホールが含まれており、合計質量は約2×10⁵ M⊙である。これは、動的摩擦により約2×10⁶年以内に中心に沈降可能である。
• 0.1%の合体確率を仮定すると、星の合体により約700 M⊙の星、または数100 M⊙の星が複数形成可能であり、それらがエネルギーが≥10⁵² ergのハイパーサーナ爆発を引き起こす可能性がある。
• MBHの推定質量範囲（460–2×10⁵ M⊙）は、中間質量ブラックホールの10²–10³ M⊙の範囲に含まれており、MBH / クラスタ質量比（log ≈ –3.6 から –1.0）は、超大質量ブラックホールのMBH–M_bulge関係と整合的である。
• 他のクラスタにMBHが存在しないのは、星の密度が低いため動的摩擦や合体率が低下する、または潮汐破壊やクラスタ破壊に起因する可能性がある。