[论文解读] A multi-mass velocity dispersion model of 47 Tucanae : no evidence for an intermediate-mass black hole

Christopher Rhys Mann|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 3被引用 2

一句话总结

本研究利用短波长测光和具有多质量组分的各向同性杰恩斯模型，分析了球状星团 47 Tucanae 核心区域超过 50,000 颗恒星的自行运动。结果未发现中等质量黑洞（IMBH）的显著证据，因为观测到的速度弥散度分布可由集中分布的恒星残骸和双星系统充分解释，得出的 IMBH 与星团质量比为 0.06% ± 0.13%。

ABSTRACT

In this thesis we analyze stellar proper motions in the core of the globular cluster 47 Tucanae to explore the possibility of an intermediate-mass black hole (IMBH) influence on the stellar dynamics. Our use of short-wavelength photometry affords us an unprecedentedly clear view of stellar motions into the very centre of the crowded core, yielding proper motions for >50,000 stars in the central 2 arcminutes. We model the velocity dispersion profile of the cluster using an isotropic Jeans model. The density distribution is taken as a central IMBH point mass added to a combination of King profiles. We individually model the general low-mass cluster objects (main sequence/giant stars), as well as the concentrated populations of heavy binary systems and dark stellar remnants. Using un-binned likelihood model-fitting, we find that the inclusion of the concentrated populations in our model plays a crucial role in fitting for an IMBH mass. Taking into account all of these cluster sub-populations our model predicts an IMBH to cluster mass ratio of 0.06% +/- 0.13%. The concentrated binaries and stellar-mass black holes produce a sufficient enhancement to the velocity dispersion signal in the core as to make an IMBH unnecessary to fit the observations. We additionally determine that a stellar-mass black hole retention fraction of >18% becomes incompatible with our kinematic observations for 47 Tuc.

研究动机与目标

• 研究中等质量黑洞（IMBH）对球状星团 47 Tucanae 核心的动力学影响。
• 确定恒星自行运动的运动学观测是否支持 IMBH 的存在。
• 评估集中分布的恒星残骸和双星系统在塑造速度弥散度分布中的作用。
• 约束星族质量黑洞在星团中的保留分数。

提出的方法

• 利用短波长测光为距离星团核心 2 角分以内的超过 50,000 颗恒星推导精确的自行运动。
• 应用各向同性杰恩斯动力学模型计算速度弥散度分布。
• 将星团的密度分布建模为一个中心 IMBH 点质量与多个金氏分布的叠加。
• 包含不同的子群体：低质量恒星、集中分布的双星和暗态恒星残骸。
• 采用无数据分箱的似然模型拟合方法，比较观测到的与预测的速度分布。
• 对多个恒星群体进行联合拟合，以分离各组分的动力学贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 47 Tucanae 核心的速度弥散度分布是否需要中等质量黑洞来解释观测到的动力学特征？
• RQ2 集中分布的恒星残骸和双星群体在核心速度弥散度中所起的作用有多大？
• RQ3 与观测动力学一致的 IMBH 质量上限是多少？
• RQ4 运动学数据对 47 Tucanae 中星族质量黑洞保留分数设定了何种约束？

主要发现

• 在模型中引入集中分布的恒星残骸和双星可完全解释观测到的核心速度弥散度，因此无需引入 IMBH。
• 最佳拟合的 IMBH 与星团质量比为 0.06% ± 0.13%，在 1σ 不确定度范围内与零一致。
• 运动学数据排除了星族质量黑洞保留分数超过 18% 的可能性。
• 该模型表明，未解析的暗态子群体可模拟出 IMBH 的动力学特征。
• 无需中心点质量，多质量杰恩斯模型即可良好拟合速度弥散度分布。
• 在不同子群体建模假设下，IMBH 信号不显著的结论均保持稳健。