[論文レビュー] Hypervelocity stars in the Gaia era: Runaway B stars beyond the velocity limit of classical ejection mechanisms

A. Irrgang, S. Kreuzer+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2018

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 69被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、Gaia DR2の天球測定と再評価された分光的距離を用いて15個の高速B型星を再分析し、そのうち9個の星（5個の候補超高速星も含む）が運動学的制約により銀河中心由来であることは不可能であると判明した。結果から、既知の超高速星の顕著な割合が、古典的二重星超新星爆発または集団噴出の限界を超える、説明のつかない動的機構によって駆り出された銀河円盤からのランナースターである可能性が示唆される。HVS 3は、62.3 ± 7.7 kpcの距離と870 ± 70 km s⁻¹の速度を持つことから、大マジラン銀河由来であることが確認された。

ABSTRACT

Young massive stars in the halo are assumed to be runaway stars from the Galactic disk. Possible ejection scenarios are binary supernova ejections (BSE) or dynamical ejections from star clusters (DE). Hypervelocity stars (HVSs) are extreme runaway stars that are potentially unbound from the Galaxy. Powerful acceleration mechanisms such as the tidal disruption of a binary system by a supermassive black hole (SMBH) are required to produce them. Therefore, HVSs are believed to originate in the Galactic center (GC), the only place known to host an SMBH. The second Gaia data release (DR2) offers the opportunity of studying HVSs in an unprecedented manner. We revisit some of the most interesting high-velocity stars, that is, 15 stars for which proper motions with the Hubble Space Telescope were obtained in the pre-Gaia era, to unravel their origin. By carrying out kinematic analyses based on revised spectrophotometric distances and proper motions from Gaia DR2, kinematic properties were obtained that help constrain the spatial origins of these stars. Stars that were previously considered (un)bound remain (un)bound in Galactic potentials favored by Gaia DR2 astrometry. For nine stars (five candidate HVSs plus all four radial velocity outliers), the GC can be ruled out as spatial origin at least at $2σ$ confidence level, suggesting that a large portion of the known HVSs are disk runaway stars launched close to or beyond Galactic escape velocities. The fastest star in the sample, HVS3, is confirmed to originate in the Large Magellanic Cloud. Because the ejection velocities of five of our non-GC stars are close to or above the upper limits predicted for BSE and DE, another powerful dynamical ejection mechanism (e.g., involving massive perturbers such as intermediate-mass black holes) is likely to operate in addition to the three classical scenarios mentioned above.

研究の動機と目的

• 15個の高速星（11個の候補超高速星および4個の径方向速度外れ星を含む）の起源を再評価すること。この際、Gaia DR2の天球測定を用いる。
• これらの星がヒルズ機構による銀河中心由来、または銀河円盤由来の噴出機構によるものかどうかを検証すること。
• 観測された速度が、二重星超新星噴出（BSE）や星団からの動的噴出（DE）といった古典的噴出機構の理論的上限を超えるかどうかを特定すること。
• 質量の大きな摂動体（例えば中質量ブラックホールなど）を含む代替的噴出機構が、既知の速度閾値を超える星の噴出に寄与している可能性を調査すること。

提案手法

• 光学および赤外線の光度測定を用いて、標的星の距離推定を改善するため、再評価された分光的距離を導出する。
• Gaia DR2の自己運動を用いて、全6次元位相空間解を計算し、正確な運動学的モデリングを可能にする。
• Gaia DR2天球測定に適合する銀河ポテンシャルモデルを適用し、星の軌道安定性および束縛状態（束縛／非束縛）を評価する。
• 星の軌道を逆方向に統合し、空間的起源を特定する。9個の星については、2σ信頼水準で銀河中心由来を除外する。
• BSEおよびDE機構の理論的速度上限と運動学的制約を比較し、古典的噴出能力を超える星を特定する。
• HVS 3の起源を、更新された距離および速度を用いて再評価し、大マジラン銀河への関連性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Gaia DR2天球測定と再評価された距離に基づいて、高速星の銀河中心由来を2σ信頼水準で除外できるか？
• RQ2 観測された超高速星のうち、二重星超新星噴出および星団からの動的噴出の理論的上限を超えるものがあるか？
• RQ3 HVS 3の起源は大マジラン銀河と整合的であり、その噴出速度は代替的噴出機構を支持するか？
• RQ4 古典的3つのシナリオを超える、説明のつかない動的噴出機構の存在を支持する運動学的証拠は何か？
• RQ5 極端な銀河円盤ランナースターの星の年齢と飛行時間は、星団形成期の噴出と整合的か？

主な発見

• 運動学的解析により、2σ信頼水準で銀河中心由来が除外された星は9個（候補超高速星5個および全4個の径方向速度外れ星を含む）。
• サンプル内で最も速い星、HVS 3は、距離が62.3 ± 7.7 kpc、速度が870 ± 70 km s⁻¹に再評価され、大マジラン銀河由来であることが確認された。
• HVS 3の噴出速度は、古典的二重星超新星噴出および星団からの動的噴出の上限を超えており、追加の噴出機構の存在を示唆する。
• HVS 3の空間的起源は、大マジラン銀河中心からわずか6⁺⁷₋₄ kpcの距離に位置しており、銀河中心由来ではなく大マジラン銀河由来であることを支持する。
• 極端な銀河円盤ランナースターでは、星の寿命が飛行時間よりも著しく長く、星団形成期の噴出は排除され、代替の動的噴出経路が示唆される。
• 本研究では、BSEおよびDEの理論的上限に近いかそれを上回る速度で噴出された5個の銀河中心由来でない星が特定され、中質量ブラックホールなどの質量の大きな摂動体を含む強力な動的機構が作用している可能性が示唆された。