[논문 리뷰] Evidence for a 3 x 10^8 solar mass black hole in NGC 7052 from HST observations of the nuclear gas disk

Roeland P. van der Marel, Frank C. van den Bosch|arXiv (Cornell University)|1998. 04. 20.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 35인용 수 85

한 줄 요약

이 연구는 허블 우주望遠鏡(HST)를 이용해 은하 NGC 7052의 핵 가스 디스크를 관측하였으며, WFPC2 이미징과 FOS 분광법을 통해 이온화된 가스의 운동학을 측정하였다. 데이터는 중심으로 향해 급격히 증가하는 회전곡선과 속도 분산을 보여주었으며, 이는 중심에 질량 $3.3^{+2.3}_{-1.3} imes 10^8\,M_\odot$ 의 블랙홀이 존재함을 가장 잘 설명하는 것으로, 이는 이 방사선이 강한 타원은하에서 초거대 블랙홀이 존재한다는 강력한 증거를 제공한다.

ABSTRACT

We present an HST study of the nuclear region of the E4 radio galaxy NGC 7052, which has a nuclear disk of dust and gas. The WFPC2 was used to obtain B, V and I broad-band images and an H_alpha+[NII] narrow-band image. The FOS was used to obtain H_alpha+[NII] spectra along the major axis, using a 0.26 arcsec diameter circular aperture. The observed rotation velocity of the ionized gas is V = 155 +/- 17 km/s at r = 0.2 arcsec from the nucleus. The Gaussian dispersion of the emission lines increases from sigma = 70 km/s at r=1 arcsec, to sigma = 400 km/s on the nucleus. To interpret the gas kinematics we construct axisymmetric models in which the gas and dust reside in a disk in the equatorial plane of the stellar body. It is assumed that the gas moves on circular orbits, with an intrinsic velocity dispersion due to turbulence. The circular velocity is calculated from the combined gravitational potential of the stars and a possible nuclear black hole (BH). Models without a BH predict a rotation curve that is shallower than observed (V_pred = 92 km/s at r = 0.2 arcsec), and are ruled out at > 99% confidence. Models with a BH of 3.3^{+2.3}_{-1.3} x 10^8 solar masses provide an acceptable fit. NGC 7052 can be added to the list of active galaxies for which HST spectra of a nuclear gas disk provide evidence for the presence of a central BH. The BH masses inferred for M87, M84, NGC 6251, NGC 4261 and NGC 7052 span a range of a factor 10, with NGC 7052 falling on the low end. By contrast, the luminosities of these galaxies are identical to within 25%. Any relation between BH mass and luminosity, as suggested by independent arguments, must therefore have a scatter of at least a factor 10.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 HST 데이터를 이용해 E4 방사선이 강한 은하 NGC 7052의 중심 블랙홀 질량을 결정하기 위해.
• 핵 가스 디스크의 운동학, 특히 회전 속도 및 속도 분산 프로파일을 조사하기 위해.
• 관측된 가스 역학을 설명하기 위해 중심 블랙홀이 필수적인지, 특히 핵으로 향해 선형 폭이 급격히 증가하는 현상에 대해 검토하기 위해.
• 은하의 별과 블랙홀의 중력포텐셜을 포함한 축대칭 역학 모델을 사용하여 블랙홀 질량을 제약하기 위해.
• 초거대 블랙홀에 대한 직접적인 역학적 증거를 가진 은하 샘플을 확장하기 위해.

제안 방법

• HST/WFPC2가 별의 표면 밝기, 먼지 투과도, 이온화된 가스 유량을 맵핑하기 위해 $B$, $V$, $I$ 밴드 및 H$\alpha$+[NII] 나선판 이미지를 확보하였다.
• 미세물체 분광기(FOS)가 주축을 따라 여섯 위치에서 0.26" 원형 개구를 사용하여 H$\alpha$+[NII] 분광을 확보하여 가스의 회전과 속도 분산을 측정하였다.
• 가스가 70° 기울기로 경사진 디스크에서 원형 궤도를 따라 운동한다고 가정하여 축대칭 역학 모델을 구축하였다. 중력포텐셜은 별과 중심 블랙홀에서 기인한다.
• 핵으로 향해 선형 폭이 증가하는 현상은 중심 0.1" 내에서 500 km s⁻¹ 이상의 비중력적 속도 분산( turbulent motion)이 필요함을 나타낸다.
• 예측된 회전곡선과 선형 프로파일을 관측과 비교하여, 중심 블랙홀이 있는지 여부에 따라 다양한 모델을 테스트하였다.
• 블랙홀 질량이 $3.3^{+2.3}_{-1.3} \times 10^8\,M_\odot$ 인 최적의 모델은 관측된 복사선 형태, 특히 좁은 피크와 넓은 날개를 잘 재현하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 핵 가스 디스크의 운동학을 통해 유추된 NGC 7052의 중심 블랙홀 질량은 얼마인가요?
• RQ2 핵으로 향해 속도 분산이 증가하는 관측 결과는 중심 블랙홀이 필요할까요, 아니면 별의 역학만으로도 설명될 수 있을까요?
• RQ3 블랙홀를 포함한 축대칭 모델이 관측된 복사선 프로파일과 회전곡선을 얼마나 잘 재현합니까?
• RQ4 NGC 7052가 다른 블랙홀가 존재하는 것으로 알려진 은하들과 유사한 빛의 강도를 가지므로, 블랙홀 질량의 M–L 관계 맥락에서 그 의미는 무엇입니까?
• RQ5 HST 데이터는 중심 블랙홀이 없는 모델을 높은 신뢰도로 배제할 수 있습니까?

주요 결과

• 핵으로부터 0.2" 떨어진 지점에서 관측된 회전 속도는 $155 \pm 17$ km s⁻¹이며, 이는 중심 블랙홀이 없는 모델이 예측하는 $92$ km s⁻¹보다 유의미하게 높다.
• 이온화된 가스의 속도 분산은 1"에서 약 $70$ km s⁻¹에서 핵으로 향해 약 $400$ km s⁻¹로 증가하여 중심 영역에서 강한 비중력 운동이 있음을 시사한다.
• 중심 블랙홀이 없는 모델은 99% 이상의 신뢰도로 배제되며, 이는 급격히 증가하는 회전 속도를 설명하지 못하기 때문이다.
• 최적의 블랙홀 질량은 $3.3^{+2.3}_{-1.3} \times 10^8\,M_\odot$ 로, 비대칭 날개를 포함한 관측된 복사선 형태를 잘 재현한다.
• 관측된 선형 브로드닝을 재현하기 위해 중심 영역(0.1" 이내)에서 500 km s⁻¹를 초월하는 난류 속도 분산이 필요하다.
• NGC 7052는 초거대 블랙홀에 대한 직접적인 역학적 증거를 가진 은하의 증가하는 목록에 포함되며, 그 블랙홀 질량은 유사한 은하들에서 관측된 10배 범위의 하단에 위치한다.