[論文レビュー] Mergers of globular clusters in the Galactic disc: intermediate mass black hole coalescence and implications for gravitational waves detection

Manuel Arca Sedda, A. Mastrobuono-Battisti|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2019

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 47被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、銀河の円盤領域における球状星団の衝突が、星間相互作用による急速な硬化と約10億年以内の合体を経て中質量ブラックホール（IMBH）二重星の形成をもたらす可能性を提案している。得られる重力波（GW）信号はLISAで検出可能であり、シミュレーションはLAMOST観測と整合する高エネルギーのランウェイ星を再現しており、IMBHと観測された星の噴出との関連を示している。

ABSTRACT

We propose a new formation channel for intermediate mass black hole (IMBH) binaries via globular cluster collisions in the Galactic disc. Using numerical simulations, we show that the IMBHs form a tight binary that enters the gravitational waves (GWs) emission dominated regime driven by stellar interactions, and ultimately merge in $\lesssim 0.5$ Gyr. These events are clearly audible to LISA and can be associated with electromagnetic emission during the last evolutionary stages. During their orbital evolution, the IMBHs produce runaway stars comparable with GAIA and LAMOST observations.

研究の動機と目的

• 銀河の円盤領域における球状星団の衝突が中質量ブラックホール（IMBH）二重星を生成できるかどうかを調査すること。
• 星間相互作用によるIMBH二重星の形成と合体の時間スケールおよび力学的挙動を特定すること。
• 得られる重力波信号がLISAで検出可能かどうかを評価すること。
• IMBH二重星と観測されたランウェイ星（例：LAMOSTの高速星）との関連を探索すること。
• 動的摩擦および損失コーンの枯渇がIMBH二重星の進化に与える影響を評価すること。

提案手法

• GPUアクセラレートされた6次精度のハーミート積分法とブロックタイムステップを用いた、HiGPUsおよびPhiGPUコードによる直接N体シミュレーションを実施。
• キング分布（W₀=7, r_c=1 pc および W₀=6, r_c=4.4 pc）を有する2つの球状星団（各10⁷ M☉）と、中心にIMBH（10⁴ M☉および5×10³ M☉）をモデル化。
• 文献[45]のパrameterを用いた静的銀河ポテンシャル（薄い円盤、厚い円盤、およびダークマターハロー）下での星団の進化をシミュレート。
• IMBH二重星の進化を3段階に分けて追跡：動的摩擦段階、星間散乱による硬化段階、重力波駆動合体段階。
• 両コード間でエネルギー保存（相対的変化≤10⁻⁷）を満たすことで、シミュレーションの正確性を検証。
• 局所的脱出速度（>100 km s⁻¹）を超える速度で噴出する星をランウェイ星として特定し、LAMOST観測とその運動学的特性を比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河の円盤領域における球状星団の衝突は、中質量ブラックホール二重星の形成を引き起こすことができるか？
• RQ2 このようなIMBH二重星の典型的な合体時間スケールは何か？ また、その硬化を引き起こすメカニズムは何か？
• RQ3 これらの合体に伴う重力波信号はLISAで検出可能か？ その信号対雑音比（SNR）はどの程度か？
• RQ4 合体する星団内におけるIMBH二重星の力学的挙動は、観測されたランウェイ星（例：LAMOSTの高速星）の起源を説明できるか？
• RQ5 IMBHの初期質量が合体時間スケールおよび重力波検出可能性に与える影響は何か？

主な発見

• 星団衝突後に形成されたIMBH二重星は約0.5ギガ年で合体し、合計の合体時間スケールは約1ギガ年である。
• 硬化が開始されてから約3000万年以内に、重力波支配領域に入り、急速な合体が進行する。
• 合体の1年前におけるLISAの累積信号対雑音比（SNR）は、赤方偏移z < 3の範囲で80を超えることが確認され、検出可能性が裏付けられた。
• 合計3,542個のランウェイ星候補が得られ、そのうち2つ（E25444およびE85345）はそれぞれ290 km s⁻¹および688 km s⁻¹の速度を示し、LAMOST星と一致した。
• 最も速いランウェイ星（688 km s⁻¹）は約690万年で19 kpcの距離に到達し、LAMOST星の観測された距離と速度と整合的である。
• 全銀河に extrapolate した結果、保守的なIMBH形成率を仮定した場合、MWクラスの銀河あたり1ハッブル時間に約2〜4件のIMBH合体が予測される。