[論文レビュー] LMC origin of the hyper-velocity star HE 0437-5439. Beyond the supermassive black hole paradigm

N. Przybilla, M. F. Nieva+5 more|ArXiv.org|Jan 29, 2008

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 22被引用数 35

ひとこと要約

この論文は、超大質量ブラックホール（SMBH）が超高速星（HVS）を放出するというパラダイムに挑戦し、HE 0437-5439の元素組成パターンが銀河中心ではなくローレンス・マゼラン銀河（LMC）に一致することを示している。高分解能非局所熱平衡（non-LTE）分光法を用いて、金属量とα要素の不一致から銀河中心起源を除外し、寿命制約から銀河ディスク起源も除外した。その結果、密度の高いLMCの集団からの動的放出という代替の放出メカニズムが示唆された。

ABSTRACT

Context: Hyper-velocity stars move so fast that only a supermassive black hole (SMBH) seems to be capable to accelerate them. Hence the Galactic centre (GC) is their only suggested place of origin. Edelmann et al. (2005) found the early B-star HE0437-5439 to be too short-lived to have reached its current position in the Galactic halo if ejected from the GC, except if being a blue straggler. Its proximity to the LMC suggested an origin from this galaxy. Aims: The chemical signatures of stars at the GC are significantly different from those in the LMC. Hence, an accurate measurement of the abundance pattern of HE0437-5439 will yield a new tight constraint on the place of birth of this star. Methods: High-resolution spectra obtained with UVES on the VLT are analysed using state-of-the-art non-LTE modelling techniques. Results: We measured abundances of individual elements to very high accuracy in HE0437-5439 as well as in two reference stars, from the LMC and the solar neighbourhood. The abundance pattern is not consistent at all with that observed in stars near the GC, ruling our an origin from the GC. However, there is a high degree of consistency with the LMC abundance pattern. Our abundance results cannot rule out an origin in the outskirts of the Galactic disk. However, we find the life time of HE0437-5439 to be more than 3 times shorter than the time of flight to the edge of the disk, rendering a Galactic origin unlikely. Conclusions: Only one SMBH is known to be present in Galaxy and none in the LMC. Hence the exclusion of an GC origin challenges the SMBH paradigm. We conclude that there must be other mechanism(s) to accelerate stars to hyper-velocity speed than the SMBH. We draw attention to dynamical ejection from dense massive clusters, that has recently been proposed by Gvaramadze et al. (2008).

研究の動機と目的

• 超高速星HE 0437-5439の真の起源を、その元素組成パターンの分析によって特定すること。
• 高い速度と短い主系列星寿命を考慮した場合、星が銀河中心（GC）から出発した可能性を検証すること。
• ローレンス・マゼラン銀河（LMC）からの起源という代替仮説を評価すること。LMCは距離的に近く、銀河中心とは化学的に明確に異なる。
• 星が銀河ディスクで形成された青色特異星（blue straggler）である可能性を検討し、その年齢と速度の不一致を解消できるかを評価すること。
• SMBHスリングショットモデル以外の実現可能な放出メカニズムを同定すること。特に、質量の大きな星団からの動的放出を重点的に検討すること。

提案手法

• VLTで取得したHE 0437-5439の高分解能・高信噪比UVES分光データを用い、合計約4時間の積分時間とした。
• 線幅補正付きモデル大気を用いた最新の非局所熱平衡（non-LTE）モデリング技術を用いて分光解析を実施した。
• H、He、C、N、その他の元素について、詳細な非局所熱平衡計算を基に更新された原子データを用いて組成の決定を行った。
• 組成の基準を定めるために、LMC由来の星（NGC 2004-D15）と太陽系近傍星（HR 3468）の2つの基準星と比較した。
• LMCの運動を考慮した上で、LMCからの放出速度と飛行時間の推定に運動論的モデリングを用いた。
• 質量の大きな星団からの動的放出および中間質量ブラックホールによる放出といった理論的モデルを、代替の放出メカニズムとして評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HE 0437-5439の元素組成パターンは、銀河中心に存在する星と一致するか。それともローレンス・マゼラン銀河（LMC）の星と一致するか。
• RQ2 主系列星寿命を考慮した場合、観測された速度と現在の位置が銀河中心起源と整合するか。
• RQ3 星の起源は銀河ディスクで形成された青色特異星としてより妥当であり、その寿命がそのような状況を支持するか。
• RQ4 観測された組成パターンは、超大質量ブラックホールによる放出を排除するか。もし排除されるならば、代替の放出メカニズムとしてどのようなものが実現可能か。
• RQ5 ローレンス・マゼラン銀河（LMC）内の密な質量星団からの動的放出が、星の超高速運動を説明できるか。

主な発見

• HE 0437-5439の組成パターンには、銀河中心付近の星に特徴的な高金属量やα要素の過剰が認められず、GC起源は排除された。
• 星の組成パターンは、LMC基準星NGC 2004-D15と高い一貫性を示しており、LMC由来である可能性が強く示唆された。
• HE 0437-5439の主系列星寿命は35 Myr未満と推定され、銀河中心から現在の位置に到達するのに要する時間の3分の1未満であった。
• 2つの約5 M☉の星の合体によって形成された青色特異星としての銀河ディスク由来は、必要な合体時間が飛行時間と同等の寿命を有するため、現実的でないとされた。
• LMCから現在の位置に到達するのに必要な放出速度は約1000 km s⁻¹であり、これは密な星団からの動的放出と整合的であった。
• LMC内に既知の超大質量ブラックホールが存在しないことから、SMBHスリングショット機構は排除され、代わりに質量の大きな星団内での動的相互作用といった代替の放出メカニズムの必要性が示された。