[論文レビュー] Masses of Black Holes in the Universe

J. Ziółkowski|ArXiv.org|Aug 4, 2008

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、星間質量ブラックホール、中間質量ブラックホール、超大質量ブラックホールの3つのクラスにわたるブラックホール質量推定の観測技術をレビューする。径速度曲線、X線QPO、リバーブレーションマッピング、恒星運動論の手法を統合し、星間質量BHの質量範囲は3–20 M⊙、IMBHは数百から数万千のM⊙、超大質量BHは3×10⁵–6×10¹⁰ M⊙であると報告している。X線連星系およびSgr A*における高精度測定がなされている。

ABSTRACT

The different methods of determination of black holes (BHs) masses are presented for three classes of BHs observed in the Universe: stellar mass BHs, intermediate mass BHs (IMBHs) and supermassive BHs (SBHs). The results of these determinations are briefly reviewed: stellar mass BHs are found in the range of about 3 to about 20 solar masses, IMBHs in the range of a few hundreds to a few tens of thousands solar masses (the determinations are much less precise for these objects) and SBHs in the range of about 3x10^5 to about 6x10^10 solar masses.

研究の動機と目的

• 宇宙におけるブラックホール質量を特定する主な観測手法を体系立ててレビューすること。
• 星間質量、中間質量、超大質量ブラックホールの3クラスにわたる質量推定の精度と信頼性を評価すること。
• さまざまな手法から導かれた経験的質量範囲を要約し、中間質量ブラックホール候補に比べて星間および超大質量ブラックホールの質量推定がより高精度であることを強調すること。
• 質量関数解析、QPO、リバーブレーションマッピング、および恒星速度分散関係といった手法の整合性と限界を評価すること。
• 特にX線連星系および銀河中心部におけるブラックホール質量決定の現状を研究者向けの参考資料として提供すること。

提案手法

• 質量関数法は、光学的径速度アスペクト（K_opt）と公軌道周期（P）を用いて、f(M_x) = 1.0385×10⁻⁷ K_opt³ P M⊙ の式により、コンパクト物体質量の下限を導出する。
• 光学吸収線の回転による幅広がりは、投影された回転速度（v_rot sin i）を提供し、v_rot sin i = 0.46 K_opt (q/(1+q))¹ᐟ³ の式により、質量比 q = M_opt/M_x を推定可能である。
• 発光線の径速度（K_em）は、K_em / K_opt = q の関係により、質量比を独立に決定し、回転幅広がりの結果と照合する。
• 光学および赤外バンドにおける楕円形光変動（ΔV, ΔI）は、正弦曲線的変調を通じて軌道の傾き i を制約するが、降着円盤による汚染が解析を複雑にする。
• スペクトル型と質量の関係は、q が不明な場合の間接的質量推定を可能にする。
• 高周波数の準周期的振動（QPO）とX線スペクトルモデリング（例えば、相対論的ディスク反射）は、ブラックホールスピンと質量を同時に推定するのに用いられ、パラメトリックなエピサイクル共鳴モデルが代表的な理論的枠組みである。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 X線連星系におけるブラックホール質量を測定する最も信頼性の高い観測手法は何か？
• RQ2 質量関数、回転幅広がり、楕円形変動といった異なる手法が、連星系内のブラックホール質量をどのように一致して制約しているか？
• RQ3 中間質量ブラックホールの現在の質量推定値は何か？ なぜ星間または超大質量ブラックホールに比べて精度が低いのか？
• RQ4 アクティブ銀河核における超大質量ブラックホール質量推定において、リバーブレーションマッピングと分散法はどのように比較されるか？
• RQ5 M_BH–σ や M_BH–M_bulge といった経験的関係は、静止状態の銀河における超大質量ブラックホールの質量推定をどの程度正確に提供するか？

主な発見

• 星間質量ブラックホールの質量は3～20 M⊙の範囲にあり、特にX線連星系で径速度および質量関数法を用いた測定により、最も高精度な推定値が得られている。
• 中間質量ブラックホール（IMBH）の質量は数百年から数万千の太陽質量程度と推定されているが、観測データが限られているため、これらの推定値は著しく精度が低い。
• 超大質量ブラックホールの質量範囲は3×10⁵ M⊙ から 6.6×10¹⁰ M⊙ にわたり、特にSgr A*（3.6×10⁶ M⊙）は恒星軌道モニタリングにより高精度に測定されている。
• NGC 4258の中心ブラックホール質量は、降着円盤内の水メーザーの運動論を用いて (3.9±0.1)×10⁷ M⊙ と正確に測定されている。
• リバーブレーションマッピングは他の手法と整合性のある質量推定値をもたらし、活性銀河向けの光度ベースの質量推定式 M_BH = 5.71×10⁷ L₄₄⁰.⁵⁴⁵ M⊙ が提供されている。
• M_BH–σ 関係式 M_BH = 1.35×10⁸ (σ/200 km/s)^4.02 M⊙ は、銀河のバルジにおけるブラックホール質量と恒星速度分散の間の強固な経験的相関を示している。