[论文解读] Formation of a Massive Black Hole at the Center of the Superbubble in M82

Satoki Matsushita, Ryohei Kawabe+6 more|CERN Bulletin|Nov 3, 2000

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 10

一句话总结

本文提出，M82星系中一个约460 M⊙的超大质量黑洞（MBH）是通过密集星团中恒星级黑洞的动态坍缩以及恒星并合形成的，其驱动力量来自形成分子超气泡的星暴活动。CO、13CO和HCN发射的观测显示，一个超气泡中心位于星系核140 pc处，与MBH及一个明亮星团重合，超新星能量和恒星动力学支持在超气泡 timescale 内形成10²–10³ M⊙范围的MBH。

ABSTRACT

We performed 12CO(1-0), 13CO(1-0), and HCN(1-0) interferometric observations of the central region (about 450 pc in radius) of M82 with the Nobeyama Millimeter Array, and have successfully imaged a molecular superbubble and spurs. The center of the superbubble is clearly shifted from the nucleus by 140 pc. This position is close to that of the massive black hole (BH) of >460 Mo and the 2.2 micron secondary peak (a luminous supergiant dominated cluster), which strongly suggests that these objects may be related to the formation of the superbubble. Consideration of star formation in the cluster based on the infrared data indicates that (1) energy release from supernovae can account for the kinetic energy of the superbubble, (2) the total mass of stellar-mass BHs available for building-up the massive BH may be much higher than 460 Mo, and (3) it is possible to form the middle-mass BH of 100-1000 Mo within the timescale of the superbubble. We suggest that the massive BH was produced and is growing in the intense starburst region.

研究动机与目标

• 研究M82星暴区域中一个超大质量黑洞（MBH）的起源，X射线数据表明其质量≥460 M⊙。
• 通过分析在CO、13CO和HCN发射中检测到的分子超气泡的运动学和能量学，解释MBH的形成机制。
• 评估在2.2 μm次级峰值处的星暴星团是否具备足够的恒星级黑洞数量，并能通过并合形成中等质量黑洞（10²–10³ M⊙）。
• 确定超气泡的动能和其相对于星系核的空间偏移是否与在致密星团环境中通过动力学过程形成MBH一致。
• 探讨MBH与超气泡之间是否存在因果联系，即黑洞增长是否触发了气泡形成，或反之亦然。

提出的方法

• 使用野坂毫米波阵列（NMA）对M82中心450 pc区域进行干涉式12 CO(1–0)、13 CO(1–0)和HCN(1–0)观测，采用三种配置和6×10 m天线。
• 采用可调谐SIS接收系统，系统温度分别为12 CO ~950 K、13 CO ~850 K和HCN ~450 K，对应频率为115、110和89 GHz。
• 应用超宽带相关器（UWBC），12 CO带宽为512 MHz（256通道），速度分辨率5.2 km s⁻¹；13 CO和HCN带宽为1024 MHz（128通道），速度分辨率分别为22和27 km s⁻¹。
• 使用3C273进行波束响应校准，每10分钟使用0923+392进行相位/幅度校准，通量标度不确定性约20%。
• 通过位置-速度（PV）图和信道图分析，识别出膨胀结构及偏离刚性旋转的特征，表明存在分子超气泡。
• 利用virial定理和CO光度转H₂质量关系，估算超气泡的总动能。

实验结果

研究问题

• RQ1 M82中观测到的分子超气泡是否与近期星暴产生的超新星能量驱动一致？
• RQ2 在2.2 μm次级峰值星团中，恒星级黑洞的动力学演化是否能导致中等质量黑洞（10²–10³ M⊙）的形成？
• RQ3 超气泡中心与星系核之间的偏移源于何处？其是否与460 M⊙黑洞的位置相关？
• RQ4 在致密星团环境中，恒星并合是否可能产生足以驱动超气泡并为MBH提供种子的超新星？
• RQ5 为何该星团中存在MBH，而M82核心区其他类似星团中却没有？

主要发现

• 检测到一个动能约为10⁵¹ erg的分子超气泡，其中心偏移星系核140 pc，与460 M⊙黑洞及2.2 μm次级峰值星团重合。
• 驱动超气泡所需的能量（约10⁵¹ erg）与10³–10⁴颗超新星的总能量输出一致，支持星暴起源。
• 2.2 μm峰值处的星团包含约4,000个恒星级黑洞，总质量约2×10⁵ M⊙，可通过动力摩擦在~2×10⁶ yr内塌缩至中心。
• 在0.1%并合概率下，恒星并合可形成一个约700 M⊙的恒星或数颗数百M⊙的恒星，可能引发能量≥10⁵² erg的超新星。
• MBH质量范围（460–2×10⁵ M⊙）落在10²–10³ M⊙的中等质量黑洞范围内，且M_BH / M_cluster比值（log ≈ –3.6至–1.0）与超大质量黑洞的M_BH–M_bulge关系一致。
• 其他星团中缺乏MBH可能由于恒星密度较低，导致动力摩擦和并合率降低，或因潮汐剥离和星团破坏所致。