[논문 리뷰] X-ray observations of the isolated black hole candidate OGLE-2011-BLG-0462 , and other collapsed objects discovered through gravitational microlensing

S. Mereghetti, L. Sidoli외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 15.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 37인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 창시자, XMM-Newton, INTEGRAL 데이터를 사용하여 고립된 블랙홀 후보자인 OGLE-2011-BLG-0462에 대한 최초의 X선 상한선을 제시한다. 관측된 X선 복사율은 블랙홀에서 예상되는 저효율 수축에 부합하며, 질량과 성격에 대한 여전한 논란에도 불구하고 중성자별 해석을 배제한다.

ABSTRACT

Isolated black holes and neutron stars can be revealed through the observation of long duration gravitational microlensing events. A few candidates have been found in surveys of stars in the direction of the Galactic bulge. Recently, thanks to the addition of astrometric information at milliarcsecond level, it has been possible to reduce the uncertainties in the masses and distances for some of these "dark" gravitational lenses and select the most promising candidates. These isolated compact objects might emit X-rays powered by accretion from the interstellar medium. Using data of the Chandra, XMM-Newton, and INTEGRAL satellites, we searched for X-ray emission in the isolated black hole candidate OGLE-2011-BLG-0462, and in several other putative collapsed objects found with gravitational microlensing. OGLE-2011-BLG-0462 has been recently interpreted as a 7.1 M_sun black hole at a distance of 1.6 kpc, although a different group obtained a mass range (1.6-4.4 M_sun) that cannot exclude a massive neutron star. We have derived upper limits on the flux from OGLE-2011-BLG-0462 of 9$ imes10^{-15}$ erg cm$^{-2}$ s$^{-1}$ in the 0.5-7 keV range and $\sim2 imes10^{-12}$ erg cm$^{-2}$ s$^{-1}$ in the 17-60 keV range. The implied X-ray luminosity is consistent with the small radiative efficiency expected for a black hole and disfavours a neutron star interpretation. Limits down to a factor about five lower are obtained for the soft X-ray flux of other candidates, but their interpretation is affected by larger uncertainties in the masses, distances and spatial velocities.

연구 동기 및 목표

• 고립된 항성 질량 블랙홀과 중성자별이 은하간 매질 수축으로 인한 X선 복사로 감지될 수 있는지 검증하는 것.
• OGLE-2011-BLG-0462의 성격에 대한 모호함—7.1 M⊙ 블랙홀인지 고질량 중성자별인지—을 X선 관측을 통해 해결하는 것.
• 마이크로렌즈 유도 밀도 높은 천체 후보자, 특히 OGLE-2011-BLG-0462에 대해 현재까지 가장 날카로운 X선 복사율 상한선을 확립하는 것.
• 고립된 밀도 높은 천체의 수축률 추정치에 영향을 미치는 불확실한 공간 속도와 거리의 영향을 평가하는 것.
• 마이크로렌즈 처리된 밀도 높은 천체 샘플에 대한 고감도 X선 상한선를 종합하여 향후 통계적 연구를 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 마이크로렌즈 사건 OGLE-2011-BLG-0462 및 기타 후보 붕괴 천체에 대해 Chandra, XMM-Newton, INTEGRAL의 암시적 X선 데이터를 확보하고 분석하였다.
• OGLE-2011-BLG-0462에 대해 소프트 X선 복사율 상한선(0.5–7 keV 대역, 9×10⁻¹⁵ erg cm⁻² s⁻¹)과 하드 X선 상한선(17–60 keV 대역, ∼2×10⁻¹² erg cm⁻² s⁻¹)을 계산하였다.
• Bondi 수축 모델을 사용하여 질량, 반지름, 속도에 기반한 예상 X선 빛의 세기(광도)를 블랙홀 및 중성자별 시나리오 모두에서 추정하였다.
• 수축율 상한선을 은하간 매질 밀도-공간 속도 평면에 투영하여 각 후보자의 환경을 제약하였으며, 이때 MNS = 1.4 M⊙, RNS = 10 km, λ = 1로 가정하였다.
• 소프트 및 하드 X선 상한선을 통합하여 다양한 은하간 흡수 조건 하에서도 제약의 강건성을 평가하였다.
• 특히 OGLE-2011-BLG-0462의 중성자별 해석에 대해 렌즈 질량, 거리, 횡방향 속도의 불확실성을 고려한 통계 모델링을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고립된 밀도 높은 천체 OGLE-2011-BLG-0462는 X선 비감지 결과에 기반해 블랙홀인지 중성자별인지에 부합하는가?
• RQ2 마이크로렌즈 처리된 밀도 높은 천체 후보자, 특히 OGLE-2011-BLG-0462에 대해 현재까지 가장 날카로운 X선 복사율 상한선는 무엇인가?
• RQ3 공간 속도와 거리의 불확실성은 고립된 밀도 높은 천체의 추정 수축률과 X선 광도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 광학적 또는 전파 대응체가 없는 상황에서 X선 관측은 블랙홀 후보자와 중성자별 후보자를 구분할 수 있는가?
• RQ5 X선 상한선는 고립된 밀도 높은 천체 주변의 국소 은하간 매질 밀도에 대해 어떤 제약을 가하는가?

주요 결과

• OGLE-2011-BLG-0462의 소프트 X선 복사율 상한선은 0.5–7 keV 대역에서 9×10⁻¹⁵ erg cm⁻² s⁻¹이며, 블랙홀에서 예상되는 저효율 수축과 부합한다.
• 17–60 keV 대역의 하드 X선 복사율 상한선은 ∼2×10⁻¹² erg cm⁻² s⁻¹이며, 흡수에 영향을 받지 않는 제약 조건을 제공하여 밀도 높은 분자 환경에서도 적용 가능하다.
• X선 복사율 상한선은 OGLE-2011-BLG-0462에 대한 중성자별 해석을 배제한다. 일반적인 공간 속도를 가진 중성자별의 예상 복사율은 관측 상한선을 초과하며, 매우 낮은 밀도 환경이 아닐 경우 이를 충족하지 못한다.
• OGLE-2011-BLG-0462의 경우 공간 속도가 100 km s⁻¹ 이하일 경우 은하간 매질 밀도는 ∼10 cm⁻³ 이하가 되며, 이는 밀도 높은 분자운 내부 또는 근처에 있지 않음을 의미한다.
• 이 연구는 마이크로렌즈 유도 밀도 높은 천체 후보자에 대해 현재까지 가장 날카로운 X선 복사율 상한선을 제공하며, 소프트 X선의 경우 이전 추정치보다 최대 5배 낮은 상한선을 확보하였다.
• 속도-밀도 평면에서 복사율 상한선의 상대적 위치는 주로 소스의 공간 속도에 의해 결정되며, 이는 속도 불확실성이 수축 모델링에서 핵심적인 역할을 한다는 것을 강조한다.