[論文レビュー] Single and Binary Black Holes and their Influence on Nuclear Structure

David Merritt|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2003

Black Holes and Theoretical Physics被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、単一および二重ブラックホールが断熱的成長と動的相互作用を通じて銀河核構造を形作ると提案している。断熱的成長は、急勾配のべき乗則的核核（$\gamma \sim 1.5-2.5$）を生成し、これは明るさが低い銀河と一致する。一方、二重ブラックホールは星を弾き出し、明るい銀河に見られる核や浅いカーブを形成する。このモデルは観測された質量欠損と核のサイズを説明できるが、二重ブラックホールの合体効率については不確実性が残っている。

ABSTRACT

Massive central objects affect both the structure and evolution of galactic nuclei. Adiabatic growth of black holes generates power-law central density profiles with logarithmic slopes in the range from ~1.5 to ~2.5, in good agreement with the profiles observed in the nuclei of galaxies fainter than visual magnitude -20. However the shallow nuclear profiles of bright galaxies require a different explanation. Binary black holes are an inevitable result of galactic mergers, and the ejection of stars by a massive binary displaces a mass of order the binary's own mass, creating a core or shallow power-law cusp. This model is at least crudely consistent with core sizes in bright galaxies. Uncertainties remain about the effectiveness of stellar- and gas-dynamical processes at inducing coalescence of binary black holes, and uncoalesced binaries may be common in low-density nuclei.

研究の動機と目的

• さまざまな銀河における核密度プロファイルの観測された多様性を説明すること、特に明るさが低い銀河における急勾配の核核と明るい銀河における浅い核の形成を対象とする。
• 二重ブラックホールの力学的挙動が、明るい楕円銀河で観測された核の形成と質量欠損を説明できるかどうかを調査すること。
• 特に銀河合体の文脈において、核構造の光度依存性を説明できる二重ブラックホールモデルの妥当性を評価すること。
• 低密度核におけるブラックホール二重星の長期的進化と合体効率に関する未解決の問題を特定すること。
• 星とガスの動的過程が二重ブラックホールの崩壊と核形成に果たす役割を評価し、合体後のブラックホールリコイルの影響を検討すること。

提案手法

• ブラックホール質量が星の軌道周期に比べてゆっくりと増加すると仮定する断熱的成長モデルを用い、運動量保存則に従って最終的な星の密度プロファイルを予測する。
• 半径 $ r_h $ を $ M_*(r < r_h) = 2M_\bullet $ で定義する影響半径を用い、べき乗則的密度プロファイル $ \rho \propto r^{-\gamma} $ に対して有効である。
• 重力スリングショットによる星の弾き出しを用いて二重ブラックホールの力学をモデル化し、核から取り除かれる質量を $ \sim M_{12} $（二重星質量）として推定する。
• 長期間の進化を $ N $-体シミュレーションで分析するが、誤った緩和効果による制限を認識している。
• 仮想的な外挿された核核と観測されたプロファイルとの差として質量欠損 $ M_{\text{def}} $ を計算し、二重ブラックホールの予測と比較する。
• 重力波放射によるブラックホールリコイル速度を評価し、$ v_{\text{recoil}} \sim 10^2-10^3 \, \text{km s}^{-1} $ に達する可能性があると推定し、核からブラックホールが弾き出される可能性を示唆する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 断熱的ブラックホール成長のみで、明るさが低い銀河（$ M_V \gtrsim -20 $）における観測された $ \gamma \sim 1.5-2.5 $ の中心密度核核を説明できるか？
• RQ2 二重ブラックホールの相互作用が、明るい銀河に見られる浅い核と質量欠損をどの程度説明できるか？
• RQ3 星とガスの動的過程が二重ブラックホールの合体をどの程度効果的に駆動できるか。また、大きな距離で合体が停止する可能性はあるか？
• RQ4 合体後のブラックホールリコイルが核構造に与える影響は何か。最終的な密度プロファイルにどのような影響を与えるか？
• RQ5 特に質量が不等しい合体の場合、銀河合体が初期の核構造をどのように変化させるか。また、$ r_b \gg r_h $ を満たす銀河における観測された破断半径を生成できるか？

主な発見

• ブラックホールの断熱的成長は、中心密度プロファイルのべき乗則的勾配 $ \gamma \sim 1.5-2.5 $ を生成し、これは明るさが低い銀河（$ M_V \gtrsim -20 $）の観測結果と一致する。
• 二重ブラックホールは、自身の質量と同等の星を弾き出し、核や浅いカーブを形成する。これは明るい銀河における観測された核サイズと整合的である。
• 仮想的な $ \rho \propto r^{-\gamma_0} $ の核核と観測されたプロファイルとの差として計算される質量欠損 $ M_{\text{def}} $ は、$ \gamma_0 = 1.5 $ の場合 $ \langle M_{\text{def}}/M_\bullet \rangle \approx 1 $、$ \gamma_0 = 2 $ の場合 $ \approx 10 $ となり、不確実性の範囲内で二重ブラックホールの予測と一致する。
• シミュレーションの結果、二重星形成後に $ \rho \sim r^{-1} $ のプロファイルが形成されるが、長期的なノイズが結果に影響する可能性があり、停止が中心の最小値を生じる可能性がある。
• 重力波放射によるリコイル速度は $ 10^2-10^3 \, \text{km s}^{-1} $ に達する可能性があり、ブラックホールが核から弾き出される可能性があり、核構造をさらに変化させる。
• 本モデルは、二重星が存在しない場合、合体が核プロファイルをほとんど変えないと仮定しているが、これは等質量合体とべき乗則的核核に対しては妥当であるが、質量が不等しい場合の妥当性はやや不確かである。