[論文レビュー] Holography, large scale structure, supermassive black holes, and minimum stellar mass

T. R. Mongan|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2012

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 23被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、真空エネルギーで支配される閉じた平坦なフレリデュ・ユニバースにおける大規模構造のホログラフィックモデルを提案する。基本定数とプランク衛星の観測データを用いて、赤方偏移に依存する最小星質量および特大質量ブラックホール（SMBH）質量の上限・下限を導出する。SMBH質量と宿主銀河の星質量の間にはホログラフィー原理に基づく強く相関する関係が存在し、自由パラメータを一切用いずに観測されたスケーリング関係を再現する。

ABSTRACT

This analysis considers our universe as a closed Friedmann universe, dominated by vacuum energy in the form of a cosmological constant, with cosmological parameters obtained from full mission Planck satellite observations. A few simple assumptions lead to straightforward calculation of general features of large scale structures in the universe and minimum stellar mass as a function of redshift. Those assumptions also generate upper and lower bounds on supermassive black hole mass in relation to total stellar mass of the host galaxy, consistent with observations across four orders of magnitude of black hole mass and five orders of magnitude of galactic stellar mass. The results are based only on fundamental constants and measured cosmological parameters. No arbitrary parameters are involved.

研究の動機と目的

• ホログラフィーと宇宙論的パラメータに基づく自由パラメータのない大規模構造モデルの構築を目的とする。
• 基本定数と測定済みの宇宙論的データのみを用いて、赤方偏移に依存する最小星質量を導出することを目的とする。
• 自由パラメータを一切用いずに、宿主銀河の星質量に対してSMBH質量の上限・下限を確立することを目的とする。
• モデルが、SMBH質量が10⁴倍、星質量が10⁵倍の範囲にわたり観測されたSMBH-銀河スケーリング関係と整合するかを検証することを目的とする。

提案手法

• 宇宙が宇宙定数を有する閉じたフレリデュ宇宙であると仮定し、H₀、Ωₘ、Ω_b についてはプランク2015年のデータを用いる。
• ホログラフィー原理を適用：球面スクリーン上の情報量はその面積に比例し、プランクスケールのビットが有限の情報容量を定義する。
• 情報ビットあたりの質量を 1.050×10⁻⁶⁷ g と導出し、イベントホライズン内総質量を Mᵤ = 0.183 R_H² により、イベントホライズン半径の二乗と関連付ける。
• 自己相似的・階層的構造形成を仮定し、以下の3つの仮定を設ける：(1) CMBと熱平衡にあるホログラフィックスクリーン上の情報、(2) ジーン質量から次の細分化レベルまでの質量範囲、(3) 各質量帯域あたりの構造数は 1/m に比例する。
• 安定した軌道を維持可能な部分構造のホログラフィックスクリーンによって定義されるコア半径に基づき、SMBH質量を推定する。各構造レベルでバリオン質量分率が一定であると仮定する。
• 赤方偏移ごとに、CMB放射エネルギー密度と物質密度から導かれるジーン長と音速を用いて、最小星質量を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自由パラメータを一切用いずに、任意の赤方偏移における最小星質量を基本定数と宇宙論的パラメータから導出可能か？
• RQ2 宿主銀河の星質量に対してSMBH質量の上限・下限が、複数の赤方偏移において観測データと整合するか？
• RQ3 ホログラフィー原理に基づくモデルが、調整なしに観測された M–σ 関係および M–L 関係を再現可能か？
• RQ4 閉じた、真空中で支配される宇宙におけるホログラフィー情報制約と整合するか、大規模構造の階層的自己相似的構造は妥当か？

主な発見

• z=0 における最小星質量は約 3.5 M☉ であり、水素核融合を示す星の観測下限と整合する。
• 本モデルは、ミルキーウェイのSMBH質量を 4.8×10³⁹ g（約 1.05×10⁴ M☉）と予測し、観測されたSagittarius A*の質量（9×10³⁹ g）と極めて良好に一致する。
• 星質量 10¹⁰ M☉ の銀河に対して、SMBH質量は 10⁶–10⁷ M☉ の範囲に予測され、観測結果および M–L 関係と整合する。
• z≈6 において、星質量が約 300 M☉ から最小星質量（約 3.5 M☉）の間の大きなスケール構造では、SMBH質量が約 10⁹ M☉ になると予測され、観測されたクェーサーと一致する。
• SMBH質量と宿主銀河の星質量の上限・下限は、SMBH質量で4桁、星質量で5桁の範囲をカバーしており、自由パラメータを一切用いずに観測データと一致する。
• 本分析は、高質量SMBHが長期間にわたる合体歴を持つ消灯銀河に、低質量SMBHが最近合体した星形成銀河に存在することを示すMFTおよびBluckらの報告と整合する。