[论文解读] Envisioning the next decade of Galactic Center science: a laboratory for the study of the physics and astrophysics of supermassive black holes

Tuan Do, A. M. Ghez+39 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2019

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 2被引用 10

一句话总结

本文展望了利用配备先进自适应光学系统的极大望远镜（ELTs）在未来十年内对银河系中心开展科学研究的前景，实现亚微角秒量级的天体测量精度和近红外波段K = 22–23等的灵敏度。该研究提出，这些能力将使精确测量恒星轨道成为可能，从而检验广义相对论，揭示低质量恒星和致密残骸，并通过探测Sgr A*附近的快速X射线与红外变异性，揭示吸积物理机制。

ABSTRACT

As the closest example of a galactic nucleus, the Galactic center (GC) presents an exquisite laboratory for learning about supermassive black holes (SMBH) and their environment. We describe several exciting new research directions that, over the next 10 years, hold the potential to answer some of the biggest scientific questions raised in recent decades: Is General Relativity (GR) the correct description for supermassive black holes? What is the nature of star formation in extreme environments? How do stars and compact objects dynamically interact with the supermassive black hole? What physical processes drive gas accretion in low-luminosity black holes? We describe how the high sensitivity, angular resolution, and astrometric precision offered by the next generation of large ground-based telescopes with adaptive optics will help us answer these questions. First, it will be possible to obtain precision measurements of stellar orbits in the Galaxy's central potential, providing both tests of GR in the unexplored regime near a SMBH and measurements of the extended dark matter distribution that is predicted to exist at the GC. Second, we will probe stellar populations at the GC to significantly lower masses than are possible today, down to brown dwarfs. Their structure and dynamics will provide an unprecedented view of the stellar cusp around the SMBH and will distinguish between models of star formation in this extreme environment. This increase in depth will also allow us to measure the currently unknown population of compact remnants at the GC by observing their effects on luminous sources. Third, uncertainties on the mass of and distance to the SMBH can be improved by a factor of $\sim$10. Finally, we can also study the near-infrared accretion onto the black hole at unprecedented sensitivity and time resolution, which can reveal the underlying physics of black hole accretion.

研究动机与目标

• 利用精确的恒星轨道测量，在超大质量黑洞附近的强场引力区域检验广义相对论。
• 通过探测接近氢燃烧极限的低质量恒星和棕矮星，揭示极端环境中恒星形成的本质。
• 通过监测短周期轨道恒星，以更高精度测量Sgr A*的自旋和质量。
• 通过其对明亮恒星的引力影响，研究致密天体和残骸的动力学行为。
• 利用高时间分辨率的近红外监测，研究低光度黑洞中吸积变异性背后的物理机制。

提出的方法

• 利用配备衍射极限自适应光学系统的下一代极大望远镜（ELTs），在Sgr A*周围实现约0.02 pc（0.5角秒）的角分辨率。
• 实施基线长达的天体测量，精度达到亚微角秒量级（每 epoch ≤30 μas），以探测相对论性轨道进动及暗物质分布的影响。
• 开展对K = 22–23等的高灵敏度光谱观测，以探测银河系中心恒星晕中黯淡的低质量恒星和棕矮星。
• 以小于1秒的采样周期对Sgr A*进行近红外监测，以解析时间尺度短至8.5分钟的变异性，对应于其最内层稳定圆形轨道。
• 利用数值模型模拟恒星动力学与吸积流，以解释观测结果并约束物理参数。
• 结合射电至X射线的多波段数据与高分辨率光学/红外数据，以区分吸积物理机制与辐射机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过恒星轨道测量，在超大质量黑洞附近的强引力场中检验广义相对论？
• RQ2 在银河系中心极端环境中，恒星形成的本质究竟是什么，尤其是低质量恒星的形成机制？
• RQ3 致密天体与双星系统如何与超大质量黑洞发生动力学相互作用，并影响恒星晕的结构？
• RQ4 驱动Sgr A*在近红外与X射线波段快速、随机变异性背后的物理过程是什么？
• RQ5 银河系中心未见的暗物质与致密残骸的分布与质量如何？

主要发现

• 与当前Keck望远镜观测相比，极大望远镜（ELTs）将在中心0.5角秒区域内将可探测恒星数量提高超过10倍。
• 采用≤30微角秒天体测量精度的恒星轨道测量，将使在Sgr A*附近强场区域检验广义相对论成为可能。
• 对K = 22–23等的灵敏度将使探测具有数年轨道周期的恒星成为可能，这对测量黑洞自旋和检验广义相对论至关重要。
• 以小于1秒的采样周期进行高时间分辨率监测，将能解析短至8.5分钟的时间变异性，对应于Sgr A*的最内层稳定圆形轨道。
• 棕矮星与低质量恒星的探测将有助于约束极端环境中恒星形成模型，并揭示恒星晕的结构。
• 对Sgr A*的质量与距离的测量精度将提高约10倍，显著降低当前的不确定性。