[논문 리뷰] Kicking massive black holes off clusters: Intermediate-mass ratio inspirals

Symeon Konstantinidis, Pau Amaro‐Seoane외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 08. 25.

Adaptive optics and wavefront sensing인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 상대론적 효과를 고려한 N-body 시뮬레이션을 사용하여 군집 내 중간질량 블랙홀(IMBH)을 모델링하며, IMBH-은하수 블랙홀 이중성계가 중간질량 비율 유도(이중성)를 겪을 수 있음을 보여주며, LISA 유사 관측소에서 감지 가능한 중력파 방출을 유도한다. 한 경우에서는 IMBH가 군집 탈출 속도를 초월하는 반동 속도를 얻었으며, 이는 IMBH 존재에 대한 직접적 증거이자 일반 상대성 이론의 검증을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Contrary to supermassive and stellar-mass black holes (SBHs), the existence of intermediate-mass black holes (IMBHs) with masses ranging between 10^{2-5} Msun has not yet been confirmed. The main problem in the detection is that the innermost stellar kinematics of globular clusters (GCs) or small galaxies, the possible natural loci to IMBHs, are very difficult to resolve. However, if IMBHs reside in the centre of GCs, a possibility is that they interact dynamically with their environment. A binary formed with the IMBH and a compact object of the GC would naturally lead to a prominent source of gravitational radiation, detectable with future observatories. We use N-body simulations to study the evolution of GCs containing an IMBH and calculate the gravitational radiation emitted from dynamically formed IMBH-SBH binaries and the possibility that the IMBH escapes the GC after an IMBH-SBH merger. We run for the first time direct-summation integrations of GCs with an IMBH including the dynamical evolution of the IMBH with the stellar system and relativistic effects, such as energy loss in gravitational waves (GWs) and periapsis shift, and gravitational recoil. We find in one of our models an intermediate mass-ratio inspiral (IMRI), which leads to a merger with a recoiling velocity higher than the escape velocity of the GC. The GWs emitted fall in the range of frequencies that a LISA-like observatory could detect, like the European eLISA or in mission options considered in the recent preliminary mission study conducted in China. The merger has an impact on the global dynamics of the cluster, as an important heating source is removed when the merged system leaves the GC. The detection of one IMRI would constitute a test of GR, as well as an irrefutable proof of the existence of IMBHs.

연구 동기 및 목표

• 고정밀 시뮬레이션을 사용하여 중간질량 블랙홀(IMBH)의 천체역학적 진화를 군집 내에서 연구하기.
• 군집 내에서 천체적 상호작용으로 형성된 IMBH-은하수 블랙홀 이중성계에서 발생하는 중력파(GW) 방출을 평가하기.
• 합병 후 중력파 반동으로 인해 IMBH가 군집에서 탈출할 수 있는지를 탐색하기.
• 향후 우주 기반 중력파 관측소인 eLISA 또는 중국의 미션 개념과 같은 관측소에서 이러한 사건이 감지 가능한지 확인하기.

제안 방법

• IMBH를 포함한 군집의 직접합산 N-body 시뮬레이션을 수행하여, IMBH가 별계 내에서의 천체역학적 진화를 포함한 전체 동역학적 진화를 모델링하기.
• 중력파 에너지 손실, 근점의 전진, 비대칭 중력파 방출으로 인한 반동와 같은 상대론적 효과를 통합하기.
• 군집 환경 내에서의 천체적 상호작용을 통해 IMBH-은하수 블랙홀 이중성계의 형성과 진화를 모델링하기.
• 이중성계의 궤도 진화와 합병 과정, 합병 후 반동 속도 및 군집 탈출 여부를 추적하기.
• 중력파 신호 특성과 LISA 유사 관측소에서 감지 가능한 주파수 대역에서의 감지 가능성 계산하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IMBH를 포함한 군집에서 중간질량 비율 유도(IMRI)가 형성될 수 있는가?
• RQ2 그러한 IMRI 사건 동안 방출되는 중력파의 진폭과 주파수 스펙트럼은 무엇인가?
• RQ3 합병으로 인한 반동 속도가 군집의 탈출 속도를 초월하여 IMBH를 군집에서 탈출시킬 수 있는가?
• RQ4 그로 인한 중력파 신호는 향후 우주 기반 관측소인 eLISA와 같은 관측소에서 감지 가능한가?
• RQ5 그러한 사건의 감지가 중간질량 블랙홀 존재에 대한 결정적인 증거가 될 수 있는가?

주요 결과

• 한 시뮬레이션 모델에서 IMBH와 은하수 질량 블랙홀 간의 명확한 중간질량 비율 유도(IMRI)가 발생하여 합병에 이르렀다.
• 합병 결과, 군집의 탈출 속도를 초월하는 중력파 반동 속도가 발생하여 IMBH가 탈출하였다.
• IMRI 동안 방출된 중력파 신호는 eLISA 및 중국의 미션 개념 등 LISA 유사 관측소에서 감지 가능한 주파수 대역에 포함되었다.
• 합병된 시스템의 탈출은 군집 내부 난방의 주요 원천을 제거함으로써 군집의 역학적 진화에 중대한 영향을 미쳤다.
• 그러한 사건의 감지로 인해 중간질량 블랙홀 존재에 대한 결정적인 증거를 확보할 수 있다.
• 관측는 일반 상대성 이론의 강력한 필드 영역에서의 엄격한 시험으로도 기능한다.