[论文解读] The distribution of stars around the Milky Way's black hole III: Comparison with simulations

Holger Baumgardt, Pau Amaro‐Seoane+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2017

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 62被引用 30

一句话总结

本研究通过模拟围绕超大质量黑洞的星团，解决了银河系中心长期存在的“缺失大质量星”问题，表明重复恒星形成与双体弛豫过程可产生一个浅的恒星突起，其投影幂律斜率约为 Γ ≈ 0.3，与观测到的弥散光和分辨星数分布一致。在 0.1 pc 以内亮度大质量星的缺失，归因于气体盘的包层剥离，而非突起的缺失。

ABSTRACT

The distribution of stars around a massive black hole (MBH) has been addressed in stellar dynamics for the last four decades by a number of authors. Because of its proximity, the centre of the Milky Way is the only observational test case where the stellar distribution can be accurately tested. Past observational work indicated that the brightest giants in the Galactic Centre (GC) may show a density deficit around the central black hole, not a cusp-like distribution, while we theoretically expect the presence of a stellar cusp. We here present a solution to this long-standing problem. We performed direct-summation $N-$body simulations of star clusters around massive black holes and compared the results of our simulations with new observational data of the GC's nuclear cluster. We find that after a Hubble time, the distribution of bright stars as well as the diffuse light follow power-law distributions in projection with slopes of $Γ\approx 0.3$ in our simulations. This is in excellent agreement with what is seen in star counts and in the distribution of the diffuse stellar light extracted from adaptive-optics (AO) assisted near-infrared observations of the GC. Our simulations also confirm that there exists a missing giant star population within a projected radius of a few arcsec around Sgr A*. Such a depletion of giant stars in the innermost 0.1 pc could be explained by a previously present gaseous disc and collisions, which means that a stellar cusp would also be present at the innermost radii, but in the form of degenerate compact cores.

研究动机与目标

• 解决理论预测的陡峭恒星突起与观测结果之间存在的矛盾，即在人马座 A* 附近明亮大质量星的密度分布呈平坦或耗竭状态。
• 研究银河系中心真实动力学过程在复杂演化核星团中的作用，以解释恒星和弥散光的观测表面密度分布是否可由现实的动力学过程解释。
• 检验在最内几角秒区域内缺少明亮大质量星的现象是否由物理过程（如恒星碰撞或气体盘相互作用）引起，而非突起的缺失。
• 确定尽管存在消光、星场拥挤及年轻恒星污染等观测挑战，银河系中心是否存在恒星突起。
• 通过确认在真实、多阶段恒星形成环境中存在突起，评估其对引力波天文学中极端质量比旋进（EMRI）源的影响。

提出的方法

• 对包含中心大质量黑洞的星团执行直接求和 N 体模拟，采用真实初始条件和恒星形成历史。
• 模拟星团在宇宙时标（Hubble time）内的演化，考虑双体弛豫、恒星演化及引力聚焦效应。
• 采用多 epoch 恒星形成历史，以模拟银河系中心核星团复杂动力学与物理年龄结构。
• 将模拟的恒星表面密度分布与银河系中心高分辨率自适应光学观测结果进行对比。
• 计算模拟与观测恒星分布的投影幂律斜率（Γ），以量化一致性。
• 引入碎片化气体盘效应，以模拟大质量星可能发生的包层剥离，解释观测中明亮大质量星的缺失。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管观测到明亮大质量星的密度分布呈平坦或耗竭状态，银河系中心是否存在恒星突起？
• RQ2 通过包含真实恒星形成历史的 N 体模拟，能否再现观测到的恒星和弥散光表面密度分布中 Γ ≈ 0.3 的浅幂律斜率？
• RQ3 何种物理过程可解释在人马座 A* 附近 0.1 pc 范围内明亮大质量星的表观缺失，同时不与突起的存在相矛盾？
• RQ4 银河系寿命期间重复恒星形成如何影响核星团的最终结构及其表面密度分布？
• RQ5 气体盘相互作用或恒星碰撞在多大程度上可解释最内区大质量星的观测耗竭？

主要发现

• 模拟的银河系中心分辨恒星与弥散光的表面密度分布，其投影幂律斜率 Γ ≈ 0.3 与观测结果一致。
• 从模拟中推断的三维密度分布与浅突起一致，其半径幂律斜率接近 γ ≈ 0.9，与观测估计相符。
• 在最内 0.1 pc 范围内明亮大质量星的缺失并非由于突起的缺失，而更可能源于碎片化气体盘导致的包层剥离。
• 模拟证实恒星突起存在于最内半径区域，但其主要由简并致密核心构成，而非完整的巨大恒星。
• 在所有半径范围内，模拟与观测分布的一致性极佳，尤其在 20 角秒以外区域，由于黑洞的影响半径作用，分布斜率变陡。
• 本研究首次在理论与观测之间实现一致收敛，确认银河系核区存在恒星突起，解决了长达数十年的矛盾。