[論文レビュー] Monster black holes

Michele Cappellari|PubMed|May 20, 2012

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、近くの銀河団の中心にある巨大楕円銀河の中心で、それぞれ100億太陽質量を超える2つの超大質量ブラックホールを同定した。ハッブル宇宙望遠鏡および地上の8〜10メートル望遠鏡からの高分解能分光法および画像データを用いて、著者たちはこれらのブラックホールが星の速度分散関係に基づく予測をはるかに上回る質量を有していることを示し、これはガスを含まない銀河のドライ合体を通じて主に成長したことを示唆する。これは、宇宙で最も質量の大きなブラックホールが形成される主要なメカニズムとしての証拠を提供する。

ABSTRACT

A combination of ground-based and spacecraft observations has uncovered two black holes of 10 billion solar masses in the nearby Universe. The finding sheds light on how these cosmic monsters co-evolve with galaxies.

研究の動機と目的

• 近隣宇宙における最も質量の大きなブラックホールを宿すと予想される、銀河団の中心にある巨大楕円銀河における超大質量ブラックホールの質量を特定すること。
• 観測されたブラックホール質量–速度分散関係が、より小さなブラックホールとは異なるメカニズムで成長した可能性のある最も質量の大きなブラックホールに対しても成り立つかを検証すること。
• 最も質量の大きなブラックホールの成長が、ガス降着ではなく、ガスを含まない銀河のドライ合体に支配的であるかどうかを、質量–速度分散関係からの逸脱に基づいて調査すること。
• 最も強力なクェーサーの眠りの痕跡である、銀河とブラックホールの共進化における欠けた鍵を特定することで、実証的証拠を提供すること。

提案手法

• 適応光学補正を施した積分場分光法を用いて、2つの巨大楕円銀河の中心領域における2次元の星の速度場をマッピングした。
• ハッブル宇宙望遠鏡およびケックおよびジェミーニの8〜10メートル望遠鏡からの高分解能画像および分光法データを統合し、 diffraction-limited 空間分解能を達成した。
• 銀河のバルジにおける星の速度分散を測定して重力ポテンシャルを推定し、動力学的モデリングによりブラックホール質量を導出した。
• バーリティ質量推定式および球対称ジェインスモデリングを用いて、非等方性および質量対光度比の変動を考慮した上で、観測された星の運動学的データからブラックホール質量を推定した。
• 観測された質量–速度分散関係を基準として、ガス降着成長に基づく予測からの逸脱を評価し、ブラックホールがガス降着とは異なる成長メカニズムを経験したかどうかを判断した。
• 観測されたブラックホール質量を、ガス降着およびドライマージン成長モデルの理論的予測と比較し、支配的な形成経路を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近隣宇宙における最も質量の大きなブラックホールは、観測されたブラックホール質量–速度分散関係と整合しているのか、それとも顕著に逸脱しているのか？
• RQ2 100億太陽質量を超える超大質量ブラックホールの成長の主なメカニズムは何か—ガス降着か、ガスを含まない銀河のドライ合体か？
• RQ3 巨大銀河団の中心銀河に存在する2つのブラックホールの観測質量は、標準的なガス降着モデルで説明可能か、それとも代替の形成経路を必要とするか？
• RQ4 質量が大きくガスを含まない銀河のドライ合体が、特に高質量領域における観測されたブラックホール質量–速度分散関係をどの程度再現できるか？
• RQ5 宇宙で最も質量の大きなブラックホールは、初期宇宙における最も明るいクェーサーの眠りの痕跡であるとみなせるか、その質量はそのような前身と整合的か？

主な発見

• 2つの巨大銀河団の中心楕円銀河の核に、それぞれ約100億太陽質量の超大質量ブラックホールが検出された。
• 測定されたブラックホール質量は、星の速度分散に基づく質量関係の予測を著しく上回っており、ガス降着とは異なる成長メカニズムであることを示唆している。
• 質量–速度分散関係からの逸脱は、2つのブラックホールがガスを含まない銀河のドライ合体を通じて主に成長したことを示しており、速度分散の上昇に伴わず質量が増加したことを意味する。
• 結果は、宇宙で最も質量の大きなブラックホールが、長期間にわたるガス降着とは異なり、連続するドライ合体によって形成されたという仮説を支持している。これは、より小さなブラックホールが支配的に経験するメカニズムとは異なる。
• 観測されたブラックホールは、初期宇宙を駆け抜けた最も強力なクェーサーの眠りの痕跡として一貫しており、クェーサー活動の終焉段階を直接示す証拠を提供する。
• これらの発見は、標準的なブラックホール質量–速度分散関係が最高質量領域で破綻することを示唆し、高質量領域におけるブラックホールと銀河の共進化の理解を再考する必要があることを示している。