[論文レビュー] Dynamical evidence for intermediate mass black holes in old globular clusters

Michele Trenti|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2006

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、古くから安定した球状星団における中質量ブラックホール（IMBH）の間接的動力学的指標として、核半径と半質量半径の比（$r_c/r_h$）を提案する。解析的モデルとN体シミュレーションを用いて、IMBHを有する星団は $r_c/r_h \approx 0.3$ に至ると示され、単一星（$\approx 0.02$）や連星（$\approx 0.05$）のみを有する星団とは著しく異なる。57個の動的的に古い銀河系球状星団の解析から、半数以上が $r_c/r_h > 0.2$ を示しており、少なくとも半数のサンプルにIMBHが存在する強力な間接的証拠が得られた。

ABSTRACT

We present an indirect dynamical evidence, based on the measure of the core to half mass radius ratio (rc/rh), that a significant fraction of globular clusters in our galaxy with an age greater than 10 half-mass relaxation times (t_rh) host an intermediate mass black hole (IMBH). In fact, after a few t_rh much of the memory about the details of initial conditions is erased and rc/rh is determined solely by the balance of the stellar encounters energy production in the core with the dissipation due to global expansion of the cluster. Here we compare the observed values of rc/rh from a sample of 57 galactic globular cluster, selected to be dynamically old and not strongly influenced by tidal forces, with the theoretical expectation for the rc/rh ratio based on analytical models and detailed numerical simulations. The simulations of the evolution of star clusters considered include combinations of single stars, primordial binaries and IMBH. For at least half of the clusters in our sample the observed rc/rh ratio appears to be too large to be explained without invoking the presence of an IMBH at the center of the system.

研究の動機と目的

• 古くから安定した球状星団における中質量ブラックホール（IMBH）の存在を、観測可能な構造的パラメータを用いて間接的動力学的証拠として同定すること。
• 観測された核半径と半質量半径の比（$r_c/r_h$）が、IMBHを含まない理論的予測を上回っているかどうかを検証すること。
• 動的平衡状態にある星団において、$r_c/r_h$ の比が中心部にIMBHが存在するかどうかを示す強固で、光度測定可能な指標として機能するかを評価すること。
• 観測バイアスおよびモデルの簡略化に対する $r_c/r_h$ の比の頑健性を評価すること。

提案手法

• 本研究では、57個の銀河系球状星団の観測された $r_c/r_h$ 値を、解析的モデルおよびN体シミュレーションからの理論的予測と比較した。
• シミュレーションには、単一星、原始的連星、および中心部にIMBHを有する星団を含め、核部でのエネルギー生成をモデル化した。
• 初期条件の記憶が消去され、動的平衡状態に達していることを保証するため、10個の半質量リラクゼーション時間（$t_{rh}$）以上に古いかつ、それ以上の年齢の星団に焦点を当てた。
• $r_c/r_h$ の比を、核部の励起度の代理指標として用い、$\gtrsim 0.3$ の値はIMBHの存在を示唆する。
• クラスタ間での一貫性を確保するため、$r_c/r_h$ を基準粒子数 $N_{\text{ref}} = 3 \times 10^5$ に補正するための補正係数 $\xi$ を適用した。
• 理論的予測に基づき、$5-10\, t_{rh}$ 経過後に、IMBHを有する星団では $r_c/r_h$ が $\approx 0.3$ に収束することが示され、初期条件に依存しない。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 核半径と半質量半径の比（$r_c/r_h$）は、古くから安定した球状星団に中質量ブラックホール（IMBH）が存在するかどうかを示す信頼できる間接的指標として機能するか？
• RQ2 動的的に古くなった星団における観測された $r_c/r_h$ 値は、中心部にIMBHを含まない理論的予測を上回っているか？
• RQ3 観測された核部の拡張度（$r_c/r_h$ で示される）を説明するために、少なくとも何パーセントの古くから安定した球状星団がIMBHを必要としているか？
• RQ4 $r_c/r_h$ 指標は、観測的およびモデル化上の不確実性に対してどれほど頑健か？

主な発見

• サンプルに含まれる57個の動的的に古いかつ安定した球状星団のうち、半数以上が $r_c/r_h \gtrsim 0.2$ を示しており、これは中心部にIMBHを含まない系で予想される値とは著しく高い。
• 理論的モデルおよびシミュレーションでは、中心部にIMBHを有する星団は $r_c/r_h \approx 0.3$ に至ると予測されるが、単一星または連星のみの星団では $\lesssim 0.05$ に留まる。
• 観測された $r_c/r_h$ の分布は、IMBHを含まない系では説明できないため、サンプルの少なくとも半数の星団ではIMBHの存在を仮定する必要がある。
• IMBHを含まない系でデータを説明するには、少なくとも300％のモデル誤差が必要となるため、主要なバイアスに対して結果が頑健であることが示された。
• 一部の星団で $r_c/r_h \gtrsim 0.5$ が観測された場合、二重IMBHを有する可能性があるが、このような系は十分に長期間安定して存在できるとは限らない。
• $r_c/r_h$ の比は、高解像度の運動学的データを必要としないため、光度測定可能な強力な指標であり、銀河外星団に対しても適用可能である。