[論文レビュー] Massive Black Holes Across Cosmic Time

Piero Madau, Tom Abel+13 more|ArXiv.org|Feb 28, 2009

Relativity and Gravitational Theory被引用数 4

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、宇宙の歴史にわたる質量の大きなブラックホールの形成と進化に関する現在の理解と未解決の問題を概説し、銀河形成におけるその役割と、低周波数重力波天文学の変容的潜在能力に焦点を当てる。特に、LISAなどの宇宙望遠鏡を用いた低周波数重力波観測は、ブラックホール合体を直接観測し、その成長歴を追跡する可能性を秘めている。

ABSTRACT

This White Paper to the National Academy of Sciences Astro2010 Decadal Review Committee outlines some of the outstanding questions regarding the assembly history of Massive Black Holes in the nuclei of galaxies and the revolutionary contributions anticipated in this field from low-frequency gravitational wave astronomy.

研究の動機と目的

• 銀河核における質量の大きなブラックホールの形成歴に関する根本的な未解決問題に取り組む。
• 低周波数重力波天文学がブラックホール成長および合体歴を解明する上で持つ画期的な潜在能力を強調する。
• Astro2010年十年計画調査において重力波検出を優先すべきであると提言する。
• ブラックホール質量関数および初期ブラックホール種の形成メカニズムに関する現在の理論的および観測的制約を統合する。
• 低周波数重力波検出を、ブラックホールと銀河の共進化モデルを検証する重要な手段として位置づける。

提案手法

• 高赤方偏移における初期種ブラックホール（例えば、ガス雲の直接崩壊など）からのブラックホール形成の理論的モデルを統合する。
• 半解析的および数値的シミュレーションを用いて、宇宙の歴史にわたるブラックホールの降着および合体歴をモデル化する。
• LISAなどの宇宙用重力波検出器を用いた質量の大きなブラックホール二重星の検出率を予測する。
• 観測されたクェーサーの明るさ関数およびX線背景測定値からの制約を統合し、成長モデルに反映する。
• 高赤方偏移における質量の大きなブラックホール合体からの重力波信号の検出可能性を評価する。
• 電磁的観測と重力波観測の相補性を評価し、ブラックホール人口のマップ作成に寄与する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期宇宙における最初の質量の大きなブラックホール種の形成メカニズムは何か？
• RQ2 質量の大きなブラックホールは、宇宙の歴史にわたってどのように降着と合体を通じて成長するのか？
• RQ3 宇宙用重力波望遠鏡が質量の大きなブラックホール二重星合体をどの程度の頻度で検出できるか？
• RQ4 低周波数重力波天文学は、ブラックホール質量関数の進化に関する不確実性をどのように解消できるか？
• RQ5 クェーサーや活動銀河核の電磁的観測は、質量の大きなブラックホールの形成歴をどの程度まで制約できるか？

主な発見

• 特にLISAを介した低周波数重力波天文学は、高赤方偏移（z > 5）における質量の大きなブラックホール二重星合体を検出できると予想され、初期ブラックホール成長の直接的証拠が得られる。
• 質量の大きなブラックホール合体からの重力波信号の検出により、ブラックホール質量および赤方偏移を高精度で測定可能となり、ブラックホール集団の直接的集計が可能になる。
• 理論的モデルは、原始ガス雲の直接崩壊が約10^4–10^6太陽質量の種ブラックホールを形成できることを示唆しており、これが降着を経て今日観測される超大質量ブラックホールに成長すると考えられる。
• シミュレーションから得られる質量の大きなブラックホールの合体率は、特に高質量二重星に対して、LISAなどの宇宙用干渉計で検出可能な率と整合的である。
• 重力波観測は、電磁スペクトルでは観測できない「暗黒期」のブラックホール成長を調べる上で、電磁的調査と相補的である。
• 電磁的観測と重力波観測の組み合わせにより、宇宙の歴史にわたるブラックホールと銀河の共進化の包括的でマルチメッセンジャービジョンが可能になる。