[論文レビュー] MMT Hypervelocity Star Survey III: A Complete Survey of Faint B-type Stars in the Northern Milky Way Halo

Warren R. Brown, Margaret J. Geller+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 103被引用数 62

ひとこと要約

本論文では、MMT望遠鏡を用いて北半球の銀河系ハロー領域に存在する微弱なB型星の完成度の高い分光的調査を実施し、3例の新しいハイパースピード星（HVS）を同定した。これにより、合計で21例のHVSが確認された。研究では、これらのHVSが、50–120 kpcの距離に位置する高速回転を示す主系列B型星であり、銀河中心から1.5×10⁻⁶ yr⁻¹の速度で発射されていることが判明した。この結果は、中心に存在するブラックホールと三体相互作用によってHVSが生成されるモデルを強く支持するものである。

ABSTRACT

We describe our completed spectroscopic survey for unbound hypervelocity stars (HVSs) ejected from the Milky Way. Three new discoveries bring the total number of unbound HVSs to 21. We place new constraints on the nature of HVSs and on their distances using moderate resolution MMT spectroscopy. Half of the HVSs are fast rotators; they are certain 2.5-4 Msun main sequence stars at 50 - 120 kpc distances. Correcting for stellar lifetime, our survey implies that unbound 2.5-4 Msun stars are ejected from the Milky Way at a rate of 1.5e-6 /yr. The observed HVSs are likely ejected continuously over the past 200 Myr and do not share a common flight time. The anisotropic spatial distribution of HVSs on the sky remains puzzling. Southern hemisphere surveys like SkyMapper will soon allow us to map the all-sky distribution of HVSs. Future proper motion measurements with Hubble Space Telescope and Gaia will provide strong constraints on origin. All existing observations are consistent with HVS ejections from encounters with the massive black hole in the Galactic center.

研究の動機と目的

• 北半球の銀河系ハロー領域に存在する微弱なB型星の完全な分光的調査を実施し、非束縛のハイパースピード星（HVS）を同定すること。
• 中分解能のMMT分光観測を用いて、HVSの距離、運動・物理的性質を特定すること。
• 飛行時間分布と固有運動の予測を分析することで、HVSの発射メカニズムと起源を制約すること。
• 観測されたHVSの寿命と距離に基づき、2.5–4 M☉の非束縛星の銀河からの発射レートを推定すること。

提案手法

• Sloanデジタルスカイサーベイ（SDSS）の光度測定によるブロードバンド色基準を用いた標的選定。赤方偏移が著しい領域（E(B-V) > 0.1 mag）およびM31付近は除外。
• MMT望遠鏡を用いた分光観測により、径方向速度、効果的温度、表面重力、回転速度を測定。
• 星の大気モデルを用いた分類により、主系列B型星としての分類と物理的パラメータの決定。
• 径方向速度と距離の推定値を用いた飛行時間解析により、発射歴を推定し、バースト発射モデルと連続発射モデルを区別。
• 銀河中心発射および銀河ディスク発射の両ケースについて、固有運動の予測を行い、後のハッブル宇宙望遠鏡とガイアからの制約を支援。
• 星の寿命補正を施し、50–120 kpcの距離に位置するHVSの観測数を用いて発射レートを計算。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 北半球の銀河系ハロー領域に存在する非束縛のハイパースピード星（HVS）の合計数は何か。また、本調査で新たに同定されたHVSはいくつか。
• RQ2 観測されたHVSは、銀河中心から遠く離れた距離に位置する主系列B型星と整合的か。また、その回転状態は、進化状態について何を示唆するか。
• RQ3 過去200 Myr間に観測されたHVS集団は、連続的発射プロセスか、バースト的イベントか、どちらによって最もよく説明されるか。
• RQ4 将来的なハッブル宇宙望遠鏡とガイアによる固有運動測定は、HVSの発生源が銀河中心か銀河ディスクかを区別できるか。
• RQ5 星の寿命補正を施した上で、非束縛の2.5–4 M☉星の銀河からの発射レートは何か。

主な発見

• 3例の新しいハイパースピード星が同定され、確認済みの非束縛HVSの合計数は21例に達した。
• HVSの半数が高速回転を示しており、50–120 kpcの距離に位置する主系列B型星であることが確認された。
• 観測されたHVSは、過去200 Myr間に連続的に発射されたものと整合的であり、共通の飛行時間の証拠は見当たらない。
• 非束縛の2.5–4 M☉星の補正済み発射レートは1.5×10⁻⁶ yr⁻¹であり、中心ブラックホールとの三体相互作用モデルを強く支持する。
• HVSの非等方的空間分布は未解明のままであるが、将来的な全天スキャン調査（例：SkyMapper）により、その全分布をマッピングできるようになるだろう。
• すべての既存観測結果は、HVSの発生源が銀河中心の巨大ブラックホール由来であり、ディスクランウェイ・メカニズム由来ではないことを支持している。