[論文レビュー] The S-Star Cluster at the Center of the Milky Way: On the nature of diffuse NIR emission in the inner tenth of a parsec

N. Sabha, A. Eckart+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2012

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 63被引用数 21

ひとこと要約

本研究は、K_sバンド画像およびN体シミュレーションを用いて、銀河中心の内側0.1 pcにおける拡散的近赤外 (NIR) 輝度および質量分布の性質を調査する。星の光度関数から推定される恒星質量は、S2の軌道から推定される暗黒質量を説明するには著しく不足しており、8–10 m望遠鏡の混乱限界に起因する星のブレンド（重ね合わせ）が、3–4年間持続する高固有運動を模倣し得る。これは、天体測定測定の複雑化を引き起こし、Sgr A*周辺での正確な質量および運動論的制約を得るためには、より高い分解能が不可欠であることを示している。

ABSTRACT

Sagittarius A*, the super-massive black hole at the center of the Milky Way, is surrounded by a small cluster of high velocity stars, known as the S-stars. We aim to constrain the amount and nature of stellar and dark mass associated with the cluster in the immediate vicinity of Sagittarius A*. We use near-infrared imaging to determine the $K_\mathrm{s}$-band luminosity function of the S-star cluster members, and the distribution of the diffuse background emission and the stellar number density counts around the central black hole. This allows us to determine the stellar light and mass contribution expected from the faint members of the cluster. We then use post-Newtonian N-body techniques to investigate the effect of stellar perturbations on the motion of S2, as a means of detecting the number and masses of the perturbers. We find that the stellar mass derived from the $K_\mathrm{s}$-band luminosity extrapolation is much smaller than the amount of mass that might be present considering the uncertainties in the orbital motion of the star S2. Also the amount of light from the fainter S-cluster members is below the amount of residual light at the position of the S-star cluster after removing the bright cluster members. If the distribution of stars and stellar remnants is strongly enough peaked near Sagittarius A*, observed changes in the orbital elements of S2 can be used to constrain both their masses and numbers. Based on simulations of the cluster of high velocity stars we find that at a wavelength of 2.2 $μ$m close to the confusion level for 8 m class telescopes blend stars will occur (preferentially near the position of Sagittarius A*) that last for typically 3 years before they dissolve due to proper motions.

研究の動機と目的

• K_sバンド光度関数 (KLF) および拡散的背景輝度を用いて、銀河中心の内側0.1 pcにおける恒星質量および暗黒質量の制約を図る。
• 8–10 m望遠鏡の混乱限界に起因する星のブレンドが、S星（特にS2）の天体測定測定に与える影響を調査する。
• 10 M☉ブラックホールなどの未解明の恒星残骸がS2の軌道に与える摂動および相対論的測定に与える影響を評価する。
• 未解明の摂動源およびブレンドイベントが存在する状況下で、単一星の軌道解析の限界を評価する。
• Sgr A*周辺での質量分布を解明し相対論的効果を検出するため、より高い角分解能および天体測定精度が不可欠であることを特定する。

提案手法

• 近赤外画像データからS星クラスタ成員のK_sバンド光度関数 (KLF) を構築し、全恒星質量寄与を外挿推定する。
• Sgr A*周辺における拡散的背景輝度および星数密度の計数を測定し、微弱なクラスタ成員からの予想輝度と比較する。
• 後ニュートン的N体シミュレーションを用いて、S2の軌道に及ぼす星の摂動をモデル化し、軌道パラメータおよび相対論的効果への影響を評価する。
• 視線方向の重ね合わせによるブレンド星の形成および崩壊をシミュレートし、2次元速度分散（約600 km/s）に基づいてその寿命および頻度を推定する。
• 軌道トルクおよび共鳴緩和モデルを用いて、10 M☉ブラックホールの集団がS2に類似した軌道に与える散乱の重要性を評価する。
• ブレンド星の検出可能性および固有運動測定への影響を評価し、長期的モニタリング（3年以上）および分光的追従観測の重要性を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 微弱なS星のK_sバンド光度関数は、Sgr A*周辺で観測された拡散的NIR背景輝度をどの程度説明できるか？
• RQ2 8–10 m望遠鏡の混乱限界に起因する星のブレンドは、S星の天体測定および固有運動測定の信頼性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 未解明の恒星残骸（例：10 M☉ブラックホール）は、S2の運動から推定される暗黒質量にどの程度寄与しているか？
• RQ4 ブレンドイベントおよび星の摂動が考慮されない状況で、単一星の軌道解析が質量分布および相対論的効果を信頼性高く制約できるか？
• RQ5 ブレンド星はどのくらいの期間持続するのか？また、Sgr A*周辺の星の見かけの運動論的性質にどのような影響を与えるか？

主な発見

• KLFを外挿して得られた恒星質量は、S2の軌道から推定される暗黒質量を説明するには著しく不足しており、顕著な未観測質量成分が存在することを示唆している。
• 内側0.69″領域における拡散的背景光は、微弱なS星成員からの予想輝度を約6.5倍上回っており、追加の未解明の光源または発光機構が存在することを示唆している。
• 8–10 m望遠鏡の混乱限界に近い星のブレンドは、約3–4年間持続する一時的源を生じると予想され、任意の時点でSgr A*で観測される確率は30–50%である。
• このようなブレンドイベントは高固有運動を模倣し、特に一時的行動と高見かけ運動を示したS3のような星に、誤った天体測定信号を引き起こす可能性がある。
• 10 M☉ブラックホールの集団からの星の摂動は、S2に類似した軌道において相対論的近点移動を上回る支配的影響を及ぼすため、相対論的効果を検出するには単一星の解析では不十分である。
• 今後の中心質量および相対論的運動論的制約には、天体測定精度を1桁向上させる必要があり、これは大型望遠鏡または干渉計でのみ達成可能である。