[论文解读] Constraints on the dark mass distribution surrounding Sgr A*: simple $χ^2$ analysis for the redshift of photons from orbiting stars

Yohsuke Takamori, Shogo Nishiyama+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2020

Astronomy and Astrophysical Research被引用 4

一句话总结

本文对S0-2恒星在2018年近日点掠过人马座A*期间的红移数据进行了简单的χ²分析，无需复杂的参数拟合即可对轨道内延伸的暗质量提供稳健约束。该方法表明，S0-2轨道内任何延伸质量均不超过人马座A*质量的0.5%（≈2×10⁴ M☉），与计算量更大的方法结果一致。

ABSTRACT

Sagittarius A* (Sgr A*) is the central supermassive black hole with the mass $\sim 4 imes 10^6 M_{\odot}$ in the Milky Way and stars are orbiting around it. In May 2018, one of the nearest stars to Sgr A* named S0-2/S2 experienced the pericenter passage. The redshift of photons from S0-2 had varied from $4000\>{ m km\>s^{-1}}$ to $-2000\>{ m km\>s^{-1}}$ during the pericenter passage, which is within $0.5\>{ m yr}$. In this paper, we show that this steep variation of the redshift gives a strong constraint on a dark mass distribution inside the orbit of S0-2. By applying a simple $χ^2$ analysis to the observed redshift, we can easily distinguish between the two models, the point mass model and the point mass plus an extended mass model without the best-fitting parameter search. Our redshift data during the pericenter passage in 2018 with Subaru/IRCS bound the amount of the extended mass inside the orbit of S0-2 less than $0.5\,\%$ ($\sim 2 imes 10^4 M_\odot$) of the mass of Sgr A*. This constraint obtained by our simple analysis is comparable to previous works with the best-fitting parameter search to the motion of S0-2 including the effect of the extended mass. We consider both the power-law and the Plummer models for the dark mass distribution model, but the significant difference between these results is not found.

研究动机与目标

• 提供一种计算高效的手段，利用S0-2的光谱红移数据约束人马座A*周围的延伸暗质量。
• 检验S0-2在近日点掠过期间红移的剧烈变化是否能够区分点质量模型与点质量加延伸质量模型。
• 评估红移演化对不同暗质量分布模型（幂律分布与Plummer模型）的敏感性。
• 在显著降低数值计算成本的前提下，实现与完整轨道拟合方法相当的约束精度。
• 评估在银河系中心区域，包括暗物质和恒星团在内的替代暗质量模型的可行性。

提出的方法

• 对S0-2在2018年近日点掠过期间的观测红移数据应用简单的χ²最小化方法。
• 比较两种模型的χ²统计量：仅含点质量（人马座A*）与点质量加延伸暗质量分布。
• 利用红移变化——在0.5年内从+4000 km s⁻¹变化至−2000 km s⁻¹——作为探测纯点质量引力偏离的敏感探针。
• 采用幂律分布与Plummer分布对延伸质量进行建模，以检验结果的模型无关性。
• 利用调整后的χ²值在不进行完整贝叶斯或最大似然参数拟合的前提下，对S0-2轨道内延伸质量设定上限。
• 通过与采用完整轨道拟合方法的先前研究结果对比，验证该方法的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 S0-2在2018年近日点掠过期间的红移演化是否可在不进行完整轨道拟合的情况下，用于约束延伸暗质量？
• RQ2 与完整参数拟合方法相比，该红移数据χ²分析在灵敏度和准确性方面表现如何？
• RQ3 使用该简单方法可对S0-2轨道内的延伸质量设定多高的上限？
• RQ4 不同暗质量分布模型（幂律分布与Plummer分布）是否导致显著不同的约束结果？
• RQ5 该约束结果与利用完整贝叶斯推断从天测与光谱数据中得出的结果相比如何？

主要发现

• S0-2在2018年近日点掠过期间的红移数据χ²分析表明，其轨道内延伸暗质量不超过人马座A*质量的0.5%。
• 这对应于最大延伸质量约为2×10⁴ M☉，与更复杂的拟合方法结果一致。
• 该约束比2018年以前的估计更强两倍，凸显2018年数据的关键作用。
• 在延伸质量分布模型中，幂律分布与Plummer分布之间未发现显著差异。
• 该方法在实现与完整轨道拟合相当精度的同时，显著降低了计算成本。
• 结果支持人马座A*是S0-2轨道内唯一的引力源，同时限制了恒星团、暗物质或其他延伸组分的存在。