[論文レビュー] Hypervelocity Stars and the Galactic Center

Warren R. Brown|ArXiv.org|Nov 4, 2008

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、Sgr A* の質量、星の初期質量関数、および銀河のダークマター・ハローのポテンシャルに関する独自の制約を提供する、恒星の三体相互作用による高速星（HVSs）の噴出メカニズム、速度分布、空間分布の分析を通じて、HVSs を銀河中心の巨大ブラックホール（Sgr A*）のプローブとして確立する。観測されたHVSsは、連続的な噴出プロセスが、イン・スパイラルする中質量ブラックホールからのバーストに比べて支持されている。

ABSTRACT

A summary of the current knowledge on hypervelocity stars (HVSs). HVSs are fascinating because their properties are linked to Sgr A* and the stellar environment of the Galactic Center. Observing the distribution of HVSs can address: 1) the nature of the black hole ejection mechanism, 2) the in-fall history of stars onto Sgr A*, 3) the types of stars orbiting Sgr A*, and 4) a unique measurement the shape of the Galaxy's dark matter potential. The challenge to observers is to find new HVSs and strengthen the connection between HVSs and the Galactic Center.

研究の動機と目的

• 高速星（HVSs）を銀河中心の巨大ブラックホール（Sgr A*）およびその環境のプローブとして確立すること。
• 速度、起源、空間分布を用いて、HVSs を他の高速移動星（例：超高速ランナウェイ）と区別すること。
• 観測されたHVS統計と噴出モデルを用いて、中心ブラックホールおよび星の初期質量関数の性質を制約すること。
• HVSs が単一の巨大ブラックホールからではなく、二重ブラックホール系から起因するかを、速度および空間分布のパターンによってテストすること。
• HVSs を用いて、銀河のダークマター・ハローの形状を、その脱出速度および移動時間から探ること。

提案手法

• HVSs を、巨大ブラックホールとの三体相互作用によって発生し、局所の脱出速度を超える非束縛速度を持つ星として定義する。
• 赤方偏移速度および距離測定を用いて、星が非束縛であるかどうかを特定し、Kenyon et al. (2008) や Xue et al. (2008) の脱出速度モデルを適用する。
• Hills機構によるHVSの噴出をモデル化する。この機構では、二重星が巨大ブラックホールによって破壊され、一方の星が高速で噴出され、もう一方が非常に離心率の高い軌道に捕獲される。
• 単一ブラックホールと二重ブラックホールの両方のシナリオにおける理論的HVS速度分布および噴出レートを比較し、モデルの区別を図る。
• 銀河中心からの移動時間の等時線を用いて、噴出時代を推定する。観測された径方向速度が全空間運動を表すと仮定する。
• HVSsの空間分布を分析し、イン・スパイラルする中質量ブラックホールからの一時的噴出バースト（例：一様な噴出）と、連続的な噴出の両者をテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河内における非束縛星のうち、Sgr A* によって噴出された高速星（HVSs）は、超新星キックによって発生するハイパーランナウェイとは比べてどの程度の割合を占めるか？
• RQ2 観測されたHVSsの速度および空間分布は、連続的な噴出プロセスを支持するか、それともイン・スパイラルする中質量ブラックホールからのバーストを支持するか？
• RQ3 観測されたHVSsは、Sgr A*周辺の星の初期質量関数にどのような制約を課すか？
• RQ4 HVSsの速度分布は、単一の巨大ブラックホールによる噴出と二重ブラックホール系による噴出を区別できるか？
• RQ5 HVSsの移動時間および空間分布は、銀河のダークマター・ハローの形状について何を明らかにするか？

主な発見

• 観測されたHVSsは、過去数億年間にわたり、イン・スパイラルする中質量ブラックホールからの一様な噴出バーストの証拠がない連続的な噴出プロセスを支持している。
• 100 kpc圏内における3–4 M☉ のHVSsの数は96 ± 20と推定され、巨大分子雲などの巨大摂動体が噴出レートを増幅させることで、Salpeter初期質量関数と整合的である。
• 銀河中心から噴出されたHVSsは、同質量のハイパーランナウェイよりも約100倍多いと推定され、中心ブラックホールの重力的相互作用に起因するという証拠を支持する。
• 単一の巨大ブラックホールの下では、HVSsの速度分布は星の質量に弱い依存性を示すが、二重ブラックホールの下ではその依存性がないため、モデル間の主要な判別基準となる。
• HVSsの空間分布にはリング状構造が認められず、銀河中心における二重ブラックホール系の寄与は顕著でないことが示された。
• 観測されたHVSsは、標準的なSalpeter関数とは対照的に、Sgr A*付近の初期質量関数がトップヘビーである可能性を支持しており、F型HVSsの観測密度が予想より低いことによるものである。