[論文レビュー] MOCCA-SURVEY Database I. Intermediate mass black holes in Milky Way globular clusters and their connection to supermassive black holes

Manuel Arca Sedda, Abbas Askar+1 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 9被引用数 22

ひとこと要約

本研究では、2,000個のモンテカルロ球状星団（GC）モデルを用いた統計的枠組みを提示し、銀河系のGCに中質量ブラックホール（IMBH）または質量の大きなブラックホール準位（BHS）が存在するかを特定する。GCの観測量に基づく7次元ランク付けツールを導入し、候補を優先順位付けする。また、IMBHの影響半径密度がGCの等価光度と半光半径と関連する基本平面を発見し、暗黒的で低軌道のGCは、銀河中心に質量の大きなIMBHを届ける可能性がある。

ABSTRACT

In this paper we explore the interplay between intermediate-mass black holes (IMBHs) and their nursing globular clusters (GCs), taking advantage of over 2000 Monte Carlo GC models. We find that the average density of IMBHs sphere of influence can be uniquely connected to the host GCs luminosity and half-light radius via a fundamental plane. We propose a statistical approach to systematically identify potential Galactic GCs harbouring either an IMBH or a massive subsystem comprised of stellar BHs. Our models show that the IMBH is often bound to a stellar companion or a stellar BH, which can lead to tidal disruption events or to low-frequency gravitational waves. We show that GCs orbiting close to the Galactic Centre have a larger probability to witness IMBH formation during their early evolution. These low-orbit GCs can deliver several IMBHs into the galaxy innermost regions, with potential impact on both electromagnetic and GW emission. We discuss potential connections between IMBHs and SMBHs inhabiting galactic nuclei, exploring the possibility that in some cases they share similar formation pathways.

研究の動機と目的

• 銀河系の球状星団に中質量ブラックホール（IMBH）または質量の大きなブラックホール準位（BHS）が存在する可能性があるかを系統的に統計的に特定するための手法を開発すること。
• 大規模なモンテカルロシミュレーションを用いて、球状星団内におけるIMBHの形成・進化および動的相互作用を調査すること。
• 密度の高い星の集団におけるIMBHの形成経路と、銀河核における超大質量ブラックホール（SMBH）の形成経路を比較することで、IMBHとSMBHとの関連を検討すること。
• 中心部に暗黒天体が存在する可能性を考慮した観測キャンペーンのための予測ツールを提供すること。

提案手法

• MOCCA-SURVEYコードを用いて、現実的な初期条件のもとでIMBHの形成と進化を追跡する2,000個以上の球状星団モデルをシミュレーションする。
• 視覚的およびボリオメトリック光度、半質量半径およびコア半径、銀河中心からの距離、表面光度に基づく7次元のパラメータ空間を定義する。
• 7次元空間において、各銀河系GCに最も近い10個のMOCCAモデルを特定し、そのうちIMBHまたはBHSを保持する割合を計算することで、候補をランク付けする。
• IMBHの影響領域の密度が、母GCの全光度および半光半径と関連する基本平面を導出する。
• IMBHと星団メンバーとの動的相互作用を分析し、連星形成の確率および関連する電磁波および重力波の特徴を評価する。
• IMBHモデルから導出したフィッティング式を、矮星族銀河の活動銀河核（AGN）に拡張し、IMBHがSMBHの母体であるという仮説を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの銀河系球状星団が中質量ブラックホール（IMBH）または質量の大きなブラックホール準位（BHS）を有する可能性が最も高いか？
• RQ2 球状星団の構造的および動的性質は、IMBHの存在と質量とどのように相関しているか？
• RQ3 IMBHの影響領域の密度が、光度や半光半径といった観測可能なGCの性質と関連する基本平面を確立できるか？
• RQ4 低軌道の球状星団は、銀河中心に質量の大きなIMBHを届ける役割を果たすのか？また、それらは電磁波および重力波放射にどのように影響を与えるか？
• RQ5 密度の高い星団におけるIMBHの形成経路は、銀河核における超大質量ブラックホールの形成経路と類似しているか？

主な発見

• 7次元ランク付けツールを用いて、MOCCAモデル類似物を基に、35個の銀河系球状星団がIMBHの候補であり、23個が質量の大きなブラックホール準位（BHS）の候補であると特定された。
• IMBHの影響領域の密度が母GCの全光度および半光半径と関連する基本平面が発見され、質量保存型と質量損失支配型のクラスターに対応する2つの異なるシーケンスが存在した。
• シミュレーションにおけるIMBHの典型的な質量は10^3–10^4 M⊙であり、影響半径は約3 pcでピークに達する。形成時期は二峰性分布を示し、FAST（≤1 Gyr）とSLOW IMBHに分かれる。
• 32%のケースでIMBHが星の残骸とタイトな連星を形成した—そのうち13.7%が主系列星、16.2%が白色矮星、0.2%が中性子星、2.7%がブラックホールと連星を形成した—これにより潮汐破壊イベントや低周波数重力波放射への道筋が示された。
• 90%以上の質量を失い、銀河中心から3–5 kpcの範囲を公転する暗黒的クラスターは、質量が5×10^3 M⊙を超えるIMBHを保持しており、ハッブル時間以内に銀河中心に質量の大きなIMBHを届ける可能性がある。
• MOCCAモデルから導出したフィッティング式は、矮星族銀河の低質量活動銀河核と重複しており、IMBHがSMBHの母体であるという仮説を支持する。