[論文レビュー] Kicking massive black holes off clusters: Intermediate-mass ratio inspirals

Symeon Konstantinidis, Pau Amaro‐Seoane+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2011

Adaptive optics and wavefront sensing被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、相対論的効果を含むN体シミュレーションを用いて、球状星団における中質量ブラックホール（IMBH）をモデル化し、IMBH-恒星質量ブラックホール連星が中質量比インスパイアル（IMRI）を経験し、LISAに類似した観測機器で検出可能な重力波を放出することを示した。また、1件の事例では、銀河団からの脱出速度を超えるIMBHの反動が観測され、IMBHの存在を直接的証明するとともに、一般相対性理論の検証にも役立つ。

ABSTRACT

Contrary to supermassive and stellar-mass black holes (SBHs), the existence of intermediate-mass black holes (IMBHs) with masses ranging between 10^{2-5} Msun has not yet been confirmed. The main problem in the detection is that the innermost stellar kinematics of globular clusters (GCs) or small galaxies, the possible natural loci to IMBHs, are very difficult to resolve. However, if IMBHs reside in the centre of GCs, a possibility is that they interact dynamically with their environment. A binary formed with the IMBH and a compact object of the GC would naturally lead to a prominent source of gravitational radiation, detectable with future observatories. We use N-body simulations to study the evolution of GCs containing an IMBH and calculate the gravitational radiation emitted from dynamically formed IMBH-SBH binaries and the possibility that the IMBH escapes the GC after an IMBH-SBH merger. We run for the first time direct-summation integrations of GCs with an IMBH including the dynamical evolution of the IMBH with the stellar system and relativistic effects, such as energy loss in gravitational waves (GWs) and periapsis shift, and gravitational recoil. We find in one of our models an intermediate mass-ratio inspiral (IMRI), which leads to a merger with a recoiling velocity higher than the escape velocity of the GC. The GWs emitted fall in the range of frequencies that a LISA-like observatory could detect, like the European eLISA or in mission options considered in the recent preliminary mission study conducted in China. The merger has an impact on the global dynamics of the cluster, as an important heating source is removed when the merged system leaves the GC. The detection of one IMRI would constitute a test of GR, as well as an irrefutable proof of the existence of IMBHs.

研究の動機と目的

• 高精度なシミュレーションを用いて、球状星団（GC）における中質量ブラックホール（IMBH）の動的進化を調査すること。
• 球状星団内での動的形成によって生じるIMBH-恒星質量ブラックホール連星からの重力波（GW）放射を評価すること。
• 合体に伴う重力波による反動のため、IMBHが球状星団から放出される可能性を検討すること。
• このようなイベントが、eLISAや中国のミッション概念に類する将来的な宇宙望遠鏡で検出可能かどうかを特定すること。

提案手法

• IMBHを含む球状星団の直接加算N体シミュレーションを実施し、星体系内でのIMBHの完全な動的進化を再現すること。
• 重力波によるエネルギー損失、近日点進動、非対称な重力波放射に起因する反動といった相対論的効果を組み込むこと。
• 星団環境内での動的相互作用を通じてIMBH-恒星質量ブラックホール連星の形成と進化をモデル化すること。
• 連星系の軌道的進化と合体、ならびに合体後の反動速度と星団からの脱出を追跡すること。
• 重力波信号の特徴を計算し、LISAに類する観測機器が対象とする周波数帯での検出可能性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IMBHを有する球状星団において、中質量比インスパイアル（IMRI）が形成可能か？
• RQ2 そのようなIMRIイベント中に放出される重力波の振幅と周波数スペクトルは何か？
• RQ3 合体に伴う反動速度が、星団からの脱出を引き起こすか？
• RQ4 その結果生じる重力波信号は、将来的な宇宙望遠鏡（eLISAなど）で検出可能か？
• RQ5 このようなイベントの検出が、中質量ブラックホールの存在を決定的証明できるか？

主な発見

• 1つのシミュレーションモデルで、IMBHと恒星質量ブラックホールの合体に至る明確な中質量比インスパイアル（IMRI）が観測された。
• 合体に伴い、球状星団の脱出速度を超える重力反動速度が発生し、IMBHが星団から放出された。
• IMRI中に放出された重力波信号は、eLISAや中国のミッション概念に類するLISAに類する観測機器が検出可能な周波数帯に位置していた。
• 合体後のシステムの脱出は、星団内での内部加熱源を大きく変化させた。
• このようなイベントの検出は、中質量ブラックホールの存在を明確に裏付ける証拠となる。
• 観測は一般相対性理論の強い場領域における検証にもなり得る。