[論文レビュー] The Massive Black Hole and Nuclear Star Cluster in the Center of the Milky Way

R. Genzel, Frank Eisenhauer+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2010

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、高精度な星の軌道および電波源の運動から、銀河中心に440万太陽質量のブラックホールが存在することを決定的な実証的証拠で示している。この発見は、若い星がブラックホールに極めて近接して公転しているというパラドックスを明らかにし、イベントホライズン付近の星形成および降着物理学に関する現在のモデルに挑戦する。

ABSTRACT

The Galactic Center is an excellent laboratory for studying phenomena and physical processes that may be occurring in many other galactic nuclei. The Center of our Milky Way is by far the closest galactic nucleus, and observations with exquisite resolution and sensitivity cover 18 orders of magnitude in energy of electromagnetic radiation. Theoretical simulations have become increasingly more powerful in explaining these measurements. This review summarizes the recent progress in observational and theoretical work on the central parsec, with a strong emphasis on the current empirical evidence for a central massive black hole and on the processes in the surrounding dense nuclear star cluster. We present the current evidence, from the analysis of the orbits of more than two dozen stars and from the measurements of the size and motion of the central compact radio source, Sgr A*, that this radio source must be a massive black hole of about 4.4 imes 1e6 Msun, beyond any reasonable doubt. We report what is known about the structure and evolution of the dense nuclear star cluster surrounding this black hole, including the astounding fact that stars have been forming in the vicinity of Sgr A* recently, apparently with a top-heavy stellar mass function. We discuss a dense concentration of fainter stars centered in the immediate vicinity of the massive black hole, three of which have orbital peri-bothroi of less than one light day. This 'S-star cluster' appears to consist mainly of young early-type stars, in contrast to the predicted properties of an equilibrium 'stellar cusp' around a black hole. This constitutes a remarkable and presently not fully understood 'paradox of youth'. We also summarize what is known about the emission properties of the accreting gas onto Sgr A* and how this emission is beginning to delineate the physical properties in the hot accretion zone around the event horizon.

研究の動機と目的

• 高分解能の天体測位と運動論を用いて、銀河中心に巨大ブラックホールが存在することを強く根拠づける実証的証拠を確立すること。
• Sgr A*を取り巻く高密度な核領域星集団の起源と構造を調査すること。
• 長期間にわたる星形成の均衡状態にないにもかかわらず、巨大ブラックホールに近接して存在する若い星のパラドックスを解明すること。
• Sgr A*に降着するガスの放射特性を特徴づけ、イベントホライズン付近の状態を推定すること。
• 観測データと理論的シミュレーションを統合し、銀河核における極端な重力環境を理解すること。

提案手法

• 長基線赤外干渉計および電波干渉計を用いた、銀河中心付近の20余りの星の軌道解析。
• Sgr A*というコンパクトな電波源のサイズと運動を測定し、質量および高密度性を制約すること。
• 一般相対性理論に基づく軌道モデルを用いて観測された星の運動をフィットさせ、ブラックホール質量を導出すること。
• エネルギーのスケールが18桁の範囲にわたる多波長観測を用いて、降着および放射過程を調査すること。
• 星の分布の観測結果と、星集団形成および動的進化の理論的モデルを比較すること。
• ブラックホール周囲の高温降着流をモデル化し、内側領域からの観測放射を解釈すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中心の電波源Sgr A*の質量と高密度性は何か？また、これは巨大ブラックホールのものと一致するか？
• RQ2 Sgr A*から1日光以内の距離を公転する星の軌道は、緩和された星集団の予測をどのように裏付けるか？
• RQ3 若い、初期型の星が巨大ブラックホールの直近に存在するメカニズムは何か？
• RQ4 Sgr A*のイベントホライズン付近の降着ガスの物理的性質は何か？
• RQ5 核領域星集団の観測された特徴は、その形成および進化の歴史とどのように関係しているか？

主な発見

• 星の軌道解析および高密度性の制約に基づき、中心電波源Sgr A*は4.4 × 10⁶太陽質量の巨大ブラックホールとして明確に同定された。
• S星集団に属する3つの星が、近日点距離が1日光未塔の範囲にあり、ブラックホールに極めて近接していることが示された。
• S星集団は主に若い、初期型の星から構成されており、緩和された星集団に予想される古く低質量の星の集団とは矛盾する。
• Sgr A*周辺で最近星形成が進行していることが示唆され、この極端な環境では初期質量関数が上位に偏っている可能性がある。
• Sgr A*に降着するガスからの放射は、イベントホライズン付近の高温降着領域での物理的状態を徐々に明らかにし始めている。
• 核領域星集団の観測された構造と運動は、未解決の形成および移動プロセスを伴う、継続的な動的進化を示している。