[論文レビュー] The distribution of stars around the Milky Way's central black hole II: Diffuse light from sub-giants and dwarfs

R. Schödel, E. Gallego-Cano+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2017

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 68被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、VLT/NACO機器を用いた適応望遠鏡画像を用い、Sgr A*周辺の分解不能な準巨星および主系列星（K_S ≈ 19–22、0.8–1.5 M⊙）からの拡散光を分離することで、3次元密度勾配が γ = 1.13 ± 0.03（モデル）± 0.05（系貫的）の浅いべき乗則的カウルを特定した。この結果は、動的平衡に達した星のカウルの存在を支持しており、EMRI源の理論的予測と整合的である。かつての研究でカウルが検出されなかったのは、明るい未分解巨星による汚染のためである。

ABSTRACT

This is the second of three papers that search for the predicted stellar cusp around the Milky Way's central black hole, Sagittarius A*, with new data and methods. We aim to infer the distribution of the faintest stellar population currently accessible through observations around Sagittarius A*. We use adaptive optics assisted high angular resolution images obtained with the NACO instrument at the ESO VLT. Through optimised PSF fitting we remove the light from all detected stars above a given magnitude limit. Subsequently we analyse the remaining, diffuse light density. The analysed diffuse light arises from sub-giant and main-sequence stars with KS ~ 19 - 20 with masses of 1 - 2 Msol . These stars can be old enough to be dynamically relaxed. The observed power-law profile and its slope are consistent with the existence of a relaxed stellar cusp around the Milky Way's central black hole. We find that a Nuker law provides an adequate description of the nuclear cluster's intrinsic shape (assuming spherical symmetry). The 3D power-law slope near Sgr A* is γ= 1.23 +- 0.05. At a distance of 0.01 pc from the black hole, we estimate a stellar mass density of 2.3 +- 0.3 x 10^7 Msol pc^-3 and a total enclosed stellar mass of 180 +- 20 Msol. These estimates assume a constant mass-to-light ratio and do not take stellar remnants into account. The fact that no cusp is observed for bright (Ks 16) giant stars at projected distances of roughly 0.1-0.3 pc implies that some mechanism has altered their appearance or distribution.

研究の動機と目的

• 分解可能な星を除き、Sgr A*周辺の最も明るくない星の集団（準巨星および矮星）の分布を、拡散光を用いて推定すること。
• 理論的予測における急勾配の星のカウルと、以前の観測で示されたコア型プロファイルとの不一致を解消すること。
• ハッブル宇宙望遠鏡 WFC3/IR パスペン・アルファデータを用いて、ミニスパイラルの拡散放射による系統的バイアスを補正すること。
• 固有の3次元星の密度プロファイルを特定し、動的平衡およびEMRI形成モデルと整合するかを評価すること。
• 核星集団に動的平衡のべき乗則的カウルが存在するのにもかかわらず、観測された平坦な表面輝度プロファイルをどのように説明できるかを統合すること。

提案手法

• ESOのVLTでNACO機器を用いて、複数の観測エポックおよびフィルターで高分解能の適応望遠鏡画像を取得した。
• K_S 絶対等級の限界値を超えるすべての分解可能な星の光を最適化された点拡散関数（PSF）フィッティングで差し引いた。
• 残存する拡散表面輝度密度プロファイルを分析し、分解不能なやや明るい星からの発光を分離した。
• ハッブル宇宙望遠鏡のパスペン・アルファマップを用いて、ミニスパイラルの拡散放射による汚染を補正した。
• 方位平均化された拡散光プロファイルを単一べき乗則にフィットさせ、表面輝度勾配を導出した。
• 球対称性を仮定し、質量対光度比を一定と仮定して、3次元星の密度プロファイルを推定し、3次元べき乗則勾配 γ を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sgr A*周辺のやや明るい準巨星および主系列星（K_S ≈ 19–22）の固有分布は何か？
• RQ2 分解不能星からの拡散光プロファイルは、観測された表面輝度プロファイルとどのように比較されるか？ そして、3次元星のカウルに関する何を明らかにするか？
• RQ3 ミニスパイラルの拡散放射は、星の光度プロファイルの測定にどの程度バイアスを及えるか？
• RQ4 観測された星のカウルは動的平衡に達した集団と整合的か？ その勾配は理論的予測と比べてどうか？
• RQ5 明るい赤クラウド星に基づいた過去の研究がカウルを検出できないのはなぜか？ より明るい星の分布を変化させるメカニズムは何か？

主な発見

• Sgr A*から R ≲ 0.5 pc の領域における拡散表面輝度密度プロファイルは、勾配が Γ = 0.26 ± 0.02（統計的）± 0.05（系貫的）の単一べき乗則に従う。
• Sgr A*近傍の3次元星の密度プロファイルは、勾配が γ = 1.13 ± 0.03（モデル）± 0.05（系貫的）のべき乗則に従い、動的平衡に達したカウルを示している。
• Sgr A*から 0.01 pc 離れた位置の星の質量密度は 2.6 ± 0.3 × 10⁷ M⊙ pc⁻³ と推定され、全包摂星質量は 180 ± 30 M⊙ である。
• 観測されたカウルは理論的予測（単一質量星では γ_theor = 1.75、2質量系では 1.5）よりも平坦であるため、複雑な星形成または動的進化の影響が示唆される。
• カウルの平坦さと明るい巨星（K_S ≲ 16）のコア型プロファイルは、ガスディスクとの相互作用によって古い巨星の外層が剥がれた可能性を示唆しており、その分布が変化した可能性がある。
• Nuker法は核星集団の固有3次元形状を適切に記述でき、破綻半径は約3 pc に位置し、ブラックホールの影響半径に一致する。