[논문 리뷰] Hypervelocity stars in the Gaia era: Runaway B stars beyond the velocity limit of classical ejection mechanisms

A. Irrgang, S. Kreuzer외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 16.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 69인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 Gaia DR2 천체 운동학 자료와 개선된 분광광도 거리 측정을 사용하여 15개의 고속 B형 항성의 재분석을 수행하였으며, 그 중 아홉 개의 항성—다섯 개의 후보 초고속 항성 포함—이 천구 중심에서 기인할 수 없다는 것이 밝혀졌다. 운동학적 제약 조건에 기반한 결과는 알려진 초고속 항성의 상당 부분이 고전적 이중성 초신성 또는 군집 탈출 한계를 초월하는 설명되지 않은 천체역학적 메커니즘에 의해 탈출한 디스크 도약 항성일 가능성이 있음을 시사한다. HVS 3는 62.3 ± 7.7 kpc의 거리와 870 ± 70 km s⁻¹의 속도로 대마젤란운성에서 기인한 것으로 확인되었다.

ABSTRACT

Young massive stars in the halo are assumed to be runaway stars from the Galactic disk. Possible ejection scenarios are binary supernova ejections (BSE) or dynamical ejections from star clusters (DE). Hypervelocity stars (HVSs) are extreme runaway stars that are potentially unbound from the Galaxy. Powerful acceleration mechanisms such as the tidal disruption of a binary system by a supermassive black hole (SMBH) are required to produce them. Therefore, HVSs are believed to originate in the Galactic center (GC), the only place known to host an SMBH. The second Gaia data release (DR2) offers the opportunity of studying HVSs in an unprecedented manner. We revisit some of the most interesting high-velocity stars, that is, 15 stars for which proper motions with the Hubble Space Telescope were obtained in the pre-Gaia era, to unravel their origin. By carrying out kinematic analyses based on revised spectrophotometric distances and proper motions from Gaia DR2, kinematic properties were obtained that help constrain the spatial origins of these stars. Stars that were previously considered (un)bound remain (un)bound in Galactic potentials favored by Gaia DR2 astrometry. For nine stars (five candidate HVSs plus all four radial velocity outliers), the GC can be ruled out as spatial origin at least at $2σ$ confidence level, suggesting that a large portion of the known HVSs are disk runaway stars launched close to or beyond Galactic escape velocities. The fastest star in the sample, HVS3, is confirmed to originate in the Large Magellanic Cloud. Because the ejection velocities of five of our non-GC stars are close to or above the upper limits predicted for BSE and DE, another powerful dynamical ejection mechanism (e.g., involving massive perturbers such as intermediate-mass black holes) is likely to operate in addition to the three classical scenarios mentioned above.

연구 동기 및 목표

• Gaia DR2 천체 운동학 자료를 사용하여 15개의 고속 항성, 즉 11개의 후보 초고속 항성과 4개의 반경속도 이격자에 대해 기원을 재평가한다.
• 이 항성들이 힐스 메커니즘을 통해 은하 중심에서 기인했는지 또는 디스크 기반 탈출 메커니즘을 통해 기인했는지 테스트한다.
• 관측된 속도가 이중성 초신성 탈출(BSE) 및 항성 군집에서의 천체역학적 탈출(DE)와 같은 고전적 탈출 메커니즘의 이론적 상한선을 초월하는지 확인한다.
• 중간 질량 블랙홀과 같은 거대한 교란체를 포함하는 대안적 탈출 메커니즘의 가능성을 조사한다. 이는 알려진 속도 한계를 초월하는 항성에 대해 적용된다.

제안 방법

• 목표 항성의 거리 추정을 향상시키기 위해 광학 및 적외선 광도 자료를 사용하여 개선된 분광광도 거리를 유도하였다.
• Gaia DR2의 회전 운동 자료를 사용하여 여섯 차원의 위상공간 해를 계산하여 정밀한 운동학 모델링을 수행하였다.
• Gaia DR2 천체 운동학 자료에 의해 선호되는 은하의 잠재력 모델을 적용하여 항성 궤도의 안정성과 유 bound/비유 bound 상태를 평가하였다.
• 공간 기원을 추적하기 위해 항성 궤적을 거꾸로 통합하였으며, 아홉 개의 항성에 대해 은하 중심 기원을 2σ 신뢰수준에서 배제하였다.
• BSE 및 DE 메커니즘의 이론적 속도 상한선과 운동학적 제약 조건을 비교하여 고전적 탈출 능력을 초월하는 항성을 식별하였다.
• HVS 3의 기원을 최신 거리 및 속도 자료를 사용하여 재평가하여 대마젤란운성과의 연관성을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Gaia DR2 천체 운동학 자료와 개선된 거리 측정을 기반으로, 고속 항성의 기원으로서 은하 중심을 2σ 신뢰수준에서 배제할 수 있는가?
• RQ2 관측된 초고속 항성 중 일부가 이중성 초신성 탈출 및 항성 군집에서의 천체역학적 탈출의 이론적 상한선을 초월하는가?
• RQ3 HVS 3의 기원은 대마젤란운성과 일치하는가? 그리고 그 탈출 속도는 대안적 탈출 메커니즘을 뒷받침하는가?
• RQ4 기본적인 세 가지 시나리오를 초월하는 설명되지 않은 천체역학적 탈출 메커니즘 존재를 뒷받침하는 운동학적 증거는 무엇인가?
• RQ5 극단적인 디스크 도약 항성의 연령과 비행 시간이 군집 형성 기간 동안의 탈출과 일치하는가?

주요 결과

• 운동학 분석을 통해 아홉 개의 항성—다섯 개의 후보 초고속 항성과 네 개의 반경속도 이격자 포함—은 2σ 신뢰수준에서 은하 중심 기원이 배제되었다.
• 표본 내에서 가장 빠른 항성인 HVS 3는 62.3 ± 7.7 kpc의 개선된 거리와 870 ± 70 km s⁻¹의 속도를 가지며, 대마젤란운성에서 기인한 것으로 확인되었다.
• HVS 3의 탈출 속도는 고전적 이중성 초신성 탈출 및 항성 군집에서의 천체역학적 탈출의 상한선을 초월하여 추가적인 탈출 메커니즘이 필요함을 시사한다.
• HVS 3의 공간 기원은 대마젤란운성 중심에서 오직 6⁺⁷₋₄ kpc 떨어져 있어 은하 중심 기원보다는 대마젤란운성 기원을 지지한다.
• 극단적인 디스크 도약 항성의 경우, 항성 수명이 비행 시간보다 크게 초과하므로 군집 형성 기간 동안의 탈출은 배제되며, 이는 대안적 천체역학적 탈출 경로를 시사한다.
• 이 연구는 BSE 및 DE의 이론적 한계에 가까운 또는 그 이상의 탈출 속도를 가지며 은하 중심 기원이 아닌 다섯 개의 항성을 식별하였으며, 이는 중간 질량 블랙홀과 같은 거대한 교란체를 포함하는 강력한 천체역학적 메커니즘이 작동하고 있음을 암시한다.