[논문 리뷰] Electromagnetic Window into the Dawn of Black Holes

Zoltán Haiman, W. N. Brandt외 29명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 20.

Astronomy and Astrophysical Research참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 향후 천체망원경인 제임스 웹 우주망원경(JWST)과 차세대 X선 천체망원경을 이용한 깊은 X선 및 광학/적외선(비가시광선, OIR) 설문을 통해 z > 10에서 10⁴–10⁵ M☉의 저질량 블랙홀을 탐지할 수 있으며, 이는 블랙홀 씨앗 형성의 직접적인 전자기적 탐사로 이어진다. 이 연구는 블랙홀 씨앗 형성 모델 간의 경쟁을 구분하기 위해, 10⁵ M☉를 초과해 성장하기 이전의 이른 시기의 거대한 블랙홀을 관측함으로써, 초기 우주에서 초거대 블랙홀이 어떻게 빠르게 형성되었는지 오랫동안 남아있던 수수께끼를 해결하고자 한다.

ABSTRACT

Massive 10^6-10^10 Msun black holes (BHs) are ubiquitous in local galactic nuclei. They were common by the time the Universe is several Gyr old, and many of them were in place within the first 1~Gyr after the Big Bang. Their quick assembly has been attributed to mechanisms such as the rapid collapse of gas into the nuclei of early protogalaxies, accretion and mergers of stellar-mass BHs accompanying structure formation at early times, and the runaway collapse of early, ultra-dense stellar clusters. The origin of the early massive BHs remains an intriguing and long-standing unsolved puzzle in astrophysics. Here we discuss strategies for discerning between BH seeding models using electromagnetic observations. We argue that the most direct answers will be obtained through detection of BHs with masses M<10^5 Msun at redshifts z>10, where we expect them to first form. Reaching out to these redshifts and down to these masses is crucial, because BHs are expected to lose the memory of their initial assembly by the time they grow well above 10^5 Msun and are incorporated into higher-mass galaxies. The best way to detect 10^4-10^5 Msun BHs at high redshifts is by a sensitive X-ray survey. Critical constraining power is augmented by establishing the properties and the environments of their host galaxies in deep optical/IR imaging surveys. Required OIR data can be obtained with the JWST and WFIRST missions. The required X-ray flux limits (down to 10^{-19} erg/s/cm^2) are accessible only with a next-generation X-ray observatory which has both high (sub-1") angular resolution and high throughput. A combination of deep X-ray and OIR surveys will be capable of probing several generic markers of the BH seed scenarios, and resolving the long-stanging puzzle of their origin. These electromagnetic observations are also highly synergistic with the information from LISA on high-z BH mergers.

연구 동기 및 목표

• 초기 우주에서 첫 번째 블랙홀 세대를 특정하고 특성화하는 것—구체적으로 적색편이 z > 10에서 질량이 10⁵ M☉ 이하인 블랙홀을 대상으로 한다.
• 빅뱅 이후 10억 년 이내에 초거대 블랙홀이 어떻게 빠르게 형성되었는지 오랫동안 남아있던 수수께끼를 해결하는 것.
• 직접 응축 또는 항성질량 씨앗 형성과 같은 경쟁적 블랙홀 씨앗 형성 모델 간의 차이를 전자기 관측을 통해 구분하는 것.
• 향후 천체망원경, 특히 JWST, WFIRST 및 차세대 X선 천체망원경이 초기 블랙홀 형성 탐사에서 핵심적인 역할을 한다는 것을 확립하는 것.

제안 방법

• 고적색편이 블랙홀을 탐지하기 위해 10⁻¹⁹ erg/s/cm²의 광도 한계까지 민감한 X선 설문을 수행한다.
• JWST와 WFIRST의 깊은 광학 및 적외선(OIR) 영상 데이터와 X선 데이터를 융합하여 주변 은하 성질과 환경을 연구한다.
• 약한 고적색편이 소스를 혼동 없이 해상도를 높이고 효율을 극대화함으로써 X선 관측의 고각 해상도와 고통과를 확보한다.
• 후보 블랙홀의 스펙트럼 에너지 분포와 X선 광도를 분석하여 질량과 적재 상태를 추론한다.
• 관측된 블랙홀 민족학적 특성과 주변 은하 특성과 블랙홀 씨앗 형성 이론 모델을 비교한다.
• LISA의 중력파 데이터와 통합하여 융합된 병합 역사를 검증하고 씨앗 형성 시나리오를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주에서 첫 번째 거대 블랙홀의 주요 형성 메커니즘은 무엇인가—기체의 직접 응축인지 항성질량 씨앗의 성장인지?
• RQ2 z > 10에서의 전자기 관측을 통해 10⁵ M☉를 초과해 성장하기 이전의 다양한 블랙홀 씨앗 모델을 어떻게 구분할 수 있는가?
• RQ3 초기 우주에서 10⁴–10⁵ M☉ 블랙홀의 기대되는 X선 및 OIR 서명은 무엇이며, 향후 천체망원경으로 어떻게 탐지할 수 있는가?
• RQ4 초기 블랙홀의 주변 은하 성질은 그들의 형성 경로와 성장 역사를 어떻게 제약하는가?
• RQ5 전자기 관측이 LISA의 고적색편이 블랙홀 병합 탐지와 얼마나 상호보완적으로 작용하여 고적색편이 블랙홀의 병합 역사를 탐사할 수 있는가?

주요 결과

• 10⁵ M☉를 초과해 성장하기 이전에 초기 형성 메커니즘의 기억을 유지하고 있기 때문에, z > 10에서 질량이 10⁵ M☉ 이하인 블랙홀의 탐지는 필수적이다.
• 고적색편이 블랙홀을 탐지하기 위해 10⁻¹⁹ erg/s/cm²의 필요 광도 한계에 도달하기 위해, 아크초 이하의 각 해상도와 고통과를 갖춘 차세대 X선 천체망원경이 필요하다.
• JWST와 WFIRST를 이용한 깊은 광학 및 적외선 설문은 주변 은하를 식별하고 그 물리적 성질을 측정하는 데 필수적이며, 이는 블랙홀 씨앗 모델을 제약하는 데 기여한다.
• 깊은 X선 및 OIR 설문의 조합은 적재율, 주변 은하 질량, 병합 역사와 같은 다양한 블랙홀 씨앗 시나리오의 일반적인 징후를 탐사할 수 있다.
• 초기 블랙홀의 전자기 관측은 LISA의 고적색편이 블랙홀 병합 탐지와 매우 유기적으로 통합되어, 초거대 블랙홀 기원에 대한 다중 메시저 접근법을 가능하게 한다.
• 이러한 이른 시기의 낮은 질량 블랙홀을 탐지하지 못할 경우, 이후 성장 과정에서 초기 씨앗 서명이 손실되므로, 경쟁적 형성 모델 간의 구분은 여전히 해결되지 않을 것이다.