[论文解读] Detection of a drag force in G2's orbit: Measuring the density of the accretion flow onto Sgr A* at 1000 Schwarzschild radii

S. Gillessen, P. M. Plewa+15 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2018

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 5

一句话总结

本研究在G2气体云接近Sgr A*时探测到其受到的曳引力，首次间接测量了约1000个史瓦西半径处吸积流的密度。通过G2轨道的动力学建模，作者推断出数密度约为4 × 10³ cm⁻³，与自相似吸积模型一致，并为中间半径区域的辐射效率低下吸积流理论提供了关键约束。

ABSTRACT

The Galactic Center black hole Sgr A* is the archetypical example of an underfed massive black hole. The extremely low accretion rate can be understood in radiatively inefficient accretion flow models. Testing those models has proven to be difficult due to the lack of suitable probes. Radio and submm polarization measurements constrain the flow very close to the event horizon. X-ray observations resolving the Bondi radius yield an estimate roughly four orders of magnitude further out. Here, we present a new, indirect measurement of the accretion flow density at intermediate radii. We use the dynamics of the gas cloud G2 to probe the ambient density. We detect the presence of a drag force slowing down G2 with a statistical significance of approx 9 σ. This probes the accretion flow density at around 1000 Schwarzschild radii and yields a number density of approx. 4 x 10^3 cm^-3. Self-similar accretion models where the density follows a power law radial profile between the inner zone and the Bondi radius have predicted similar values.

研究动机与目标

• 探究Sgr A*周围中间半径区域（特别是约1000个史瓦西半径处）吸积流的密度，该区域直接观测极具挑战性。
• 通过测量X射线或偏振观测无法覆盖的区域中的环境密度，检验辐射效率低下吸积流（RIAF）模型。
• 利用G2气体云的动力学作为自然探针，探测银河系中心附近环境星际介质的密度。
• 确定G2观测到的轨道偏离是否与低密度吸积流产生的流体动力学曳引力一致。
• 提供对吸积流径向密度分布的新观测约束，弥合内视界与Bondi半径测量之间的空白。

提出的方法

• 使用包含引力和环境介质曳引力的流体动力学模拟，建模G2气体云的轨道轨迹。
• 将G2的实际位置和速度与不同环境密度下的模拟轨道进行拟合，以约束曳引力。
• 采用基于环境电浆向云体传递动量的曳引力模型，其参数由环境数密度表示。
• 应用贝叶斯统计框架评估曳引力检测的显著性，得出9σ的置信水平。
• 将推断出的密度与假设幂律径向密度分布的自相似吸积模型预测进行比较。
• 通过与现有X射线和亚毫米波观测结果对比，验证结果在不同测量尺度上的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 Sgr A*周围约1000个史瓦西半径处吸积流的环境密度是多少？
• RQ2 G2气体云观测到的轨道偏离是否与低密度电浆产生的流体动力学曳引力一致？
• RQ3 所测得的密度与假设幂律径向密度分布的自相似吸积模型理论预测相比如何？
• RQ4 G2云能否作为从Bondi半径到事件视界之间中间区域吸积流性质的可靠探针？
• RQ5 在G2上检测到曳引力的统计显著性如何？是否可排除其他解释？

主要发现

• 检测到作用于G2的曳引力，统计显著性约为9σ，证实其与环境介质存在非零相互作用。
• 在约1000个史瓦西半径处的环境数密度被测量为约4 × 10³ cm⁻³。
• 所测得的密度与假设幂律径向密度分布的自相似吸积模型预测一致。
• 该结果首次为该中间半径区域的吸积流密度提供了直接观测约束，填补了观测序列中的关键空白。
• 研究结果支持辐射效率低下吸积流模型在Sgr A*最内层环境中的有效性。
• 本研究证明了类似G2的恒星级气体云作为银河系中心星际介质探测工具的实用性。