[論文レビュー] The catalog of nearby black hole candidates

L. Caramete, Peter L. Biermann|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、2MASS全天調査データを用い、Hubble型、赤方偏移、光度測定データを統合してブラックホール質量を推定することで、100 Mpc以内の近くのブラックホール候補を5,894個のカタログ化した。主な結果として、10⁸ M☉付近でピークを示す質量関数が得られ、それより高い質量領域では急激な低下が認められ、約10⁶ M☉未満の低質量ブラックホールにギャップが存在することが示唆された。また、大質量ブラックホールの天球上分布にはフィラメント状の大規模構造が明らかになった。

ABSTRACT

Context. In order to study the association of the origin of ultra high energy cosmic rays (UHECR) with active galactic nuclei (AGN) at all levels of their activity we require an unbiased sample of black holes. Aims. Here we describe such a sample, of about 6 000 black holes, within the local Universe, inside the GZK (Greisen Zatsepin Kuzmin) limit, around 100 Mpc. Methods. The starting point is the 2 micron all sky survey, with the next steps as: test its com- pleteness down to low flux densities, confine it to redshifts z < 0.025, limit it to early Hubble type galaxies, test with B-V colors and with the FIR/Radio ratio the possible separation in classes of sources for the ultra high energy cosmic rays, use the spheroidal stellar component - black hole mass relationship to derive black hole masses, and test them with known black hole masses. Results. The statistics are consistent with the mass function of black hole masses, with a rel- atively flat distribution to about 10^8 Msol, and thereafter a very steep spectrum. Our sample cuts off just below 10^7 Msol, indicating a gap for lower masses, below somewhere near 10^6 Msol. We construct the sky distribution for all black holes above 10^7 Msol, 10^8 Msol, and 3 x 10^8 Msol, and also show the sky distribution for the five redshift ranges 0.0 - 0.005, 0.005 - 0.0010, 0.010 - 0.015, 0.015 - 0.020, and 0.020 to 0.025.

研究の動機と目的

• GZK距離（100 Mpc）圏内のブラックホール候補の偏りのない全天サンプルを作成し、超高エネルギー宇宙線（UHECR）との関連を調査すること。
• 既存のAGNカタログに見られる不完全性と天球上での偏りを克服するため、赤外線および電波データを用いてブラックホールの主星系を同定すること。
• 球状星団の星質量–ブラックホール質量関係を用いてブラックホール質量を推定し、既知の質量と照合して妥当性を検証すること。
• 大質量ブラックホールの空間的分布を分析し、UHECRの伝搬および起源に関連する大規模構造を特定すること。
• ブラックホールの種まき、成長、およびダークマターとの関連に関するモデルの検証に統計的基盤を提供すること。

提案手法

• 2MASS全天調査を出発点とし、近赤外領域での完全性を確保するため、0.03 Jy以上のフラックス密度を持つ源を選別する。
• 赤方偏移 z < 0.025 および初期型Hubble型銀河（cD型を含む）に制限することで、静止状態または弱い活動を示すブラックホールを分離する。
• B-V色とFIR/電波フラックス比を用いて、星形成活動が活発な銀河および遅延型銀河を除外するが、データカバレッジは限定的である。
• 球状星団の星質量–ブラックホール質量関係を適用し、母銀河の性質からブラックホール質量を推定する。
• 文献に記載された既知のブラックホール質量と照合し、質量推定の妥当性を検証する。
• 赤方偏移チャンクおよび質量閾値ごとにブラックホール分布の天球マップを作成し、大規模構造を可視化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近傍宇宙におけるブラックホール質量の統計的分布はどのようなものか。低質量領域にギャップが存在するか。
• RQ2 大質量ブラックホールの天球上分布はどのように構造化されており、大規模宇宙フィラメントと相関しているか。
• RQ3 赤外線および電波データを用いて、UHECR起源研究を支援する完全で全天にわたる近くのブラックホール候補サンプルを構築可能か。
• RQ4 分光的データが入手できない状況下で、FIR/電波比とB-V色は、星形成活動と静止状態のブラックホール主星系をどのように区別できるか。
• RQ5 10⁷ M☉未満で観測された質量関数の切り上げ（cutoff）はどのような意味を持ち、ブラックホールの種まきおよび進化に何を示唆するか。

主な発見

• 100 Mpc圏内に5,894個のブラックホール候補が存在し、10,284個の2MASS源から選別された。赤方偏移は z < 0.025 で、初期型Hubble型に限定されている。
• ブラックホール質量関数は約10⁸ M☉まで比較的平坦であり、それより高い領域では急激に低下する。10⁷ M☉未満でわずかなカットオフが観測され、低質量ブラックホールにギャップが存在する可能性を示唆する。
• 天球上分布では、低質量閾値（例：3×10⁷ M☉以上）ではフィラメント状構造が観測されるが、高質量領域（3×10⁸ M☉以上）では平滑化され、わずか数個の凝集体と1つの顕著な半円形フィラメントが残る。
• 3×10⁹ M☉を超えるブラックホールは2つにとどまる：CGCG 522-082（4.5×10⁹ M☉）およびESO 432-IG 006（3.3×10⁹ M☉）、これは超大質量系が非常にまれであることを示す。
• B-V色分布は、選別された銀河の多くが赤色であることを確認しており、初期型の形態と整合的であるが、B-Vデータが利用可能なのはわずか25%にとどまる。
• FIR/電波比は星形成活動の強力な指標であるが、利用可能なデータが限定的であるため、分類の精度は制限される。