[论文解读] MOCCA-SURVEY Database I. Intermediate mass black holes in Milky Way globular clusters and their connection to supermassive black holes

Manuel Arca Sedda, Abbas Askar+1 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 9被引用 22

一句话总结

本文提出了一套统计框架，利用2,000个蒙特卡洛球状星团（GC）模型，识别银河系球状星团中可能存在的中等质量黑洞（IMBH）或大质量黑洞子系统（BHS）。该研究引入了一个基于GC观测量的7维排序工具以优先筛选候选体，并发现IMBH影响半径密度与GC光度及半光半径之间存在一个基本平面，其中暗淡、低轨道的GC很可能将在一个哈勃时标内将大质量IMBH输运至银心。

ABSTRACT

In this paper we explore the interplay between intermediate-mass black holes (IMBHs) and their nursing globular clusters (GCs), taking advantage of over 2000 Monte Carlo GC models. We find that the average density of IMBHs sphere of influence can be uniquely connected to the host GCs luminosity and half-light radius via a fundamental plane. We propose a statistical approach to systematically identify potential Galactic GCs harbouring either an IMBH or a massive subsystem comprised of stellar BHs. Our models show that the IMBH is often bound to a stellar companion or a stellar BH, which can lead to tidal disruption events or to low-frequency gravitational waves. We show that GCs orbiting close to the Galactic Centre have a larger probability to witness IMBH formation during their early evolution. These low-orbit GCs can deliver several IMBHs into the galaxy innermost regions, with potential impact on both electromagnetic and GW emission. We discuss potential connections between IMBHs and SMBHs inhabiting galactic nuclei, exploring the possibility that in some cases they share similar formation pathways.

研究动机与目标

• 开发一种系统性的统计方法，以识别可能包含中等质量黑洞（IMBH）或大质量黑洞子系统（BHS）的银河系球状星团。
• 通过大规模蒙特卡洛模拟，探索IMBH在球状星团内的形成、演化及其动力学相互作用。
• 通过比较致密星族系统中的形成路径，研究IMBH与超大质量黑洞（SMBH）之间的关联。
• 基于中心暗质对象的可能性，为观测计划提供一个可预测的排序工具。

提出的方法

• 使用MOCCA-SURVEY代码模拟超过2,000个球状星团模型，追踪在真实初始条件下IMBH的形成与演化。
• 基于GC观测量定义一个7维参数空间：目视和总光度、半质心半径与核心半径、银心距离以及表面光度。
• 在7维空间中为每个银河系GC找到最近的10个MOCCA模型，并计算其中包含IMBH或BHS的比例，以对候选体进行排序。
• 推导出一个基本平面，将IMBH影响球的密度与宿主GC的总光度和半光半径联系起来。
• 分析IMBH与星团成员的动力学相互作用，评估双星形成概率及其相关的电磁波与引力波辐射特征。
• 将IMBH模型的拟合公式外推至矮星系活动星系核，以检验IMBH可能作为SMBH种子的假设。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些银河系球状星团最有可能包含中等质量黑洞（IMBH）或大质量黑洞子系统（BHS）？
• RQ2 球状星团的结构与动力学特性如何与IMBH的存在及其质量相关联？
• RQ3 能否建立一个基本平面，将IMBH影响球的密度与可观测的GC属性（如光度和半光半径）联系起来？
• RQ4 低轨道球状星团在将大质量IMBH输运至银心的过程中起什么作用？它们如何影响电磁波与引力波辐射？
• RQ5 致密星族中IMBH的形成路径是否与星系核中SMBH的形成路径相似？

主要发现

• 该研究基于MOCCA模型类比的7维排序工具，识别出35个银河系球状星团为IMBH的潜在宿主，23个为大质量黑洞子系统（BHS）的潜在宿主。
• 发现了一个基本平面，将IMBH影响球的密度与宿主GC的总光度和半光半径联系起来，其中存在两个不同序列，分别对应于质量保持型与质量损失主导型的IMBH。
• 模拟中的IMBH典型质量为10^3–10^4 M⊙，影响半径峰值约为~3 pc，其形成时间呈现双峰分布，可区分出FAST（≤1 Gyr）和SLOW IMBH。
• 在32%的情况下，IMBH会与致密星体形成紧密双星——其中13.7%与主序星、16.2%与白矮星、0.2%与中子星、2.7%与黑洞形成双星，为潮汐撕裂事件及低频引力波辐射提供了可能路径。
• 质量损失超过90%且轨道位于银心3–5 kpc范围内的暗星团，其IMBH质量超过5×10^3 M⊙，表明它们可能在哈勃时标内将大质量IMBH输运至银心。
• 从MOCCA模型中导出的IMBH拟合公式与矮星系中观测到的低质量活动星系核重合，支持IMBH可能是SMBH前身的假设。