• Tidak ada hasil yang ditemukan

        How many BHs in a galaxy? 


N/A
N/A
Protected

Academic year: 2023

Membagikan "        How many BHs in a galaxy? 
"

Copied!
32
0
0

Teks penuh

(1)

Hisaaki Shinkai 真貝寿明  (Osaka Inst. Tech., Japan)

1

2017/7/4  The 13th International Conference on Gravitation, Astrophysics, & Cosmology (ICGAC-XIII) 

@ Seoul, Korea

Gravitational Waves   from  

Merging Intermediate-Mass Black Holes

http://www.oit.ac.jp/is/~shinkai/

Ref:  HS, Kanda & Ebisuzaki, ApJ, 835 (2017) 276 [arXiv:1610.09505]

Counting BHs 


        How many BHs in a galaxy? 


        How many galaxies in the Universe? 


        How many BH mergers in the Universe? 

Event Rates at aLIGO/KAGRA/DECIGO/LISA 


(2)

http://ligo.org/detections/GW170104.php

why not more?

(3)

M1+M2=Mf,   Mdiff/Mtotal

a̲final

Mpc 

z SNR deg^2

GW150914

PRL116,  061102
 (2016/2/11)

36.2+29.1=62.3+3.0
 4.59%


0.68

410Mpc 

0.09 23.7 600

LVT151012 (2016/2/11)

23+13=35+1.5
 2.78%

0.66

1000Mpc


0.20 9.7

GW151226

PRL116,  241103
 (2016/6/15)

14.2+7.5=20.8+0.9
 4.15%

0.74

440Mpc 

0.09 13.0 850

GW170104

PRL118,  221101
 (2017/6/1)

31.2+19.4=48.7+1.9
 3.75%

0.64

880Mpc 

0.18 13.0 1300

https://losc.ligo.org/events/GW150914/

https://losc.ligo.org/events/GW151226/

https://losc.ligo.org/events/LVT151012/

https://losc.ligo.org/events/GW170104/

List of Detected GW events

(4)

!25 !20 !15 !10 !5 0 5

!1.0

!0.5 0.0 0.5 1.0

時間 [ミリ秒] 合体の時刻 重力波の振幅

連星のインスパイラル運動からの 重力波波形

ブラックホール形成の 重力波波形

× 1022

4

  1. Gravitational Wave  >>  Expected Amplitude

Inspiral Merger Ringdown

(5)

KAGRA  aLIGO

20170623  真⾙貝 5

  1. Gravitational Wave  >>  Expected Events

Typical  frequency  of  BH-‐‑‒BH  binary  merger  @  100Mpc  

0.001 0.100 10 1000

10-25 10-23 10-21 10-19 10-17

f

QNM

f

QNM

f

QNM

f

QNM

2R

g

5R

g

10R

g

50R

g

10M + 10M 10

2

M + 10

2

M

10

3

M + 10

3

M

frequency [Hz]

S tr ai n S en si ti v it y p S

n

( f )[ Hz

1/2

]

(6)

6

  1. Gravitational Wave  >>  Expected Events

20170623  真⾙貝

Typical  frequency  of  BH-‐‑‒BH  binary  merger  @  1000Mpc  

0.001 0.100 10 1000

10-25 10-23 10-21 10-19 10-17

frequency [Hz]

S tr ai n S en si ti v it y p S

n

( f )[ Hz

1/2

]

f

QNM

f

QNM

f

QNM

f

QNM

2R

g

5R

g

10R

g

50R

g

10M + 10M 10

2

M + 10

2

M

10

3

M + 10

3

M

KAGRA 

aLIGO

(7)

7 Strainnoiseamplitude[1/p Hz]

frequency[Hz]

1 10 100 1000 104

10-25 10-22 10-19 10-16

Kagra

TOBA

aLIGO aVIRGO

ET

10 100 1000 104

10 100 1000 104

a = 0.0

a = 0.5 a = 0.9

MBH/M

fr eq u en cy [Hz ]

地上での重力波干渉計感度

BH quasi-normal freq. 

(ringdown freq.)

BH < 2000Msun can be a target 

IMBH ringdown freq.  is detectable at LIGO/KAGRA

10Hz 1000Hz

1000M 100M

10

100

(8)

Rees, M.J. 1978. Observatory 98: 210

8

Gas Cloud

BHs

IMBHs

SMBHs

Halo

Galaxy Globular 

Cluster Massive 

Stars

 Ebisuzaki +, ApJ, 562, L19 (2001)

  2. Models of SMBH

(9)

9

Yagi, CQG 29 075005 (2012)   [arXiv:1202.3512]

HLX-1 has 20,000M BH!

http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2012/2012/11/full/

Starburst galaxy M82 has 1000M BH

BHs

IMBHs

SMBHs

Matsushita+, ApJ, 545, L107 (2000)    Matsumoto+, ApJ, 547, L25 (2001)  

 Ebisuzaki +, ApJ, 562, L19 (2001)

(10)

10

BHs

IMBHs

SMBHs

'Missing link' founded 

      Ebisuzaki +, ApJ, 562, L19 (2001)  

(1)formation of IMBHs by runaway mergers of  massive stars in dense star clusters,  

(2) accumulations of IMBHs at the center region of  a galaxy due to sinkages of clusters by dynamical  friction 

(3) mergings of IMBHs by multi-body interactions  and gravitational radiation. 

Marchant & Shapiro 1980; Portegies Zwart et al. 1999;  

Portegies Zwart & McMillan 2002;  

Portegies Zwart et al. 2004;  

Holger & Makino 2003

Matsubayashi et al. 2007 

Iwasawa et. al. 2010  

(11)

Matsubayashi, HS, Ebisuzaki, ApJ 614 (2004) 864

IMBH-IMBH mergers produce low freq. GW 

11

(12)

12

(13)

Matsubayashi, HS, Ebisuzaki, ApJ 614 (2004) 864

13

(14)

How many BH mergers  in the Universe? 

How many BH mergers  we observe in a year?

How many BHs in a galaxy? 

How many galaxies in the Universe?

Detectable Distance ?     KAGRA/aLIGO/aVIRGO

Cosmological model? 

BH spin?  Signal-to-Noise?

14

(15)

15

Mass Function of Giant Molecular Clouds

1 100 104 106

10-4 1 104 108 1012

M 1012M

109M

galaxy mass

GMC mass

A&A 580, A49 (2015) [arXiv:1505.04696] 

How many BHs in a Galaxy?

(16)

16

10 100 1000 104

10-7 0.001 10.000 105

1309.1223v3

1012M

109M

Galaxy Mass n(M)

BH mass

Molecular Clouds  

       Maximum Core      

Building Block BH 

How many BHs in a Galaxy?

(17)

17

Count BHs to form a SMBH

10 1000 105 107 109 1011

10-7 10-4 0.1 100 105

10 100 1000 104

10-7 0.001 10.000 105

1012M

109M

Galaxy Mass n(M)

BH mass

Building Block BH 

BH mass n(M)

How many BHs in a Galaxy?

(18)

18

Count BHs to form a SMBH

10 1000 105 107 109 1011

10-7 10-4 0.1 100 105

dynamical friction

BH mass n(M)

How many BHs in a Galaxy?

(19)

19

(sub-)Galaxy 

from Halo model  

Star Formation Rate  

peak z=3.16

Count BHs to form a SMBH

How many Galaxies in the Universe?

(20)

20

1011 1012 1013 1014 1015

10-23 10-21 10-19 10-17 10-15 10-13

z = 0 z = 5

1012 1013 1014 1015

5 10 50 100 500 1000

(1) Halo number density

(2) N of seeds of Galaxy (subHalo)

(3) N of Galaxy 

within z=1 within z=5

M 1

1×1011 1011 1012 5×1012

0.01 1 100

M 1.95

How many Galaxies in the Universe?

z<3 

10 12    

(21)

21 https://www.ras.org.uk/news-and-press/2910-a-universe-of-two-trillion-galaxies

http://iopscience.iop.org/article/10.3847/0004-637X/830/2/83

x10 more than before 

# of galaxy (z<8) : 2x10

12 

# of galaxy 10

6

>Msun  


   reduces in evolution

(22)

22

(sub-)Galaxy 

from Halo model  

Star Formation Rate  

peak z=3.16

Count BHs to form a SMBH

How many Galaxies in the Universe?

(23)

McConnell-Ma 

ApJ 764(2013)184

23

(24)

24

図F

BH mass

z z

BH mass

in Standard Cosmology

How many BH mergers in the Universe?

Event Rate R[/yr] = Nmerger(z) V (D/2.26)

Standard Cosmology

averaging distances  

for all directions

(25)

Signal-to-Noise Ratio (SNR)

Strainnoiseamplitude[1/ Hz]

frequency[Hz]

Kagra

TOBA

aLIGO aVIRGO

ET

25

(26)

26

Detectable Distances at bKAGRA

Hierarchical Growth   

2 = 8 5

r(a) fR2

(1 + z)M Sh(fR/(1 + z))

✓(1 + z)M dL(z)

2 ✓ 4µ M

2

SNR

Energy emission=4% of total M,1% at ringdown Flanagan&Hughes, PRD57(1998)4535

Standard Cosmology

a = 0.9

KAGRA KAGRA

(27)

Slide copy from Hiroyuki Nakano 27

GW150914

4.7% of mass  emitted 

in total 2.8% of mass 

emitted by ISCO

1% of mass 

emitted  

in ringdown?

(28)

28

図F

BH mass

z z

BH mass

in Standard Cosmology

How many BH mergers in the Universe?

Event Rate R[/yr] = Nmerger(z) V (D/2.26)

Standard Cosmology

averaging distances  

for all directions

(29)

Event Rates at bKAGRA

BH spin=0.9,0.5,0.0

peak at 60M

range 40M-150M

7 events/yr

210 events/yr

29

(30)

Event Rates at bKAGRA/aLIGO

7 events/yr

peak at 60M

BH mass (final BH) [M ] BH mass (final BH) [M ]

EventRate[1/yr]

(a1) SNR=10, KAGRA (a2) SNR=10, KAGRA

10 50 100 500 1000 5000 104

0.5 1 5 10 50 100

Nmerger

10 50 100 500 1000 5000 104

107 108 109 1010 1011 1012

range 40M-150M

210 events/yr

LIGO group PRX6(2016)041015 

Inoue+ MNRAS461(16)4329

6-400 /Gpc^3/yr

Kinugawa+ MNRAS456(15)1093

70-140 /yr

30

(31)

105 106 107 108 107

108 109 1010 1011 1012

Observable BH mergers Event Rate 

(S/N=10)

spin 0.9

spin 0

BH mass [Msun]

BH mass [Msun]

 55 events/year

104 105 106 107 108

0.10 1 10 100

104 105 106 107 108 109

10 100 1000 104

Horizon Distance  (S/N=10)

BH mass [Msun]

[Mpc]

10-4 0.01 1 100

10-23 10-21 10-19 10-17

eLISA N2A5

31

Event Rates at eLISA

(32)

BH spin=0.9,0.5,0.0

Summary

The  statistics  of  the  signals  will  tell  us  both  a  galaxy  distribution  and  a  formation  model  of  SMBHs,  and  also  in  future  cosmological  models/

gravitational theories.

Based on a bottom up formation model of a SMBH via IMBHs, we estimate  expected  observational  profile  of  gravitational  wave  at  ground-based  detectors. 

We  simply  modeled  that  cores  of  molecular  clouds  become  BHs  if  it  is  more  than  10  Msun,  which  become  building  blocks  of  forming  larger  BHs.  We  also  modeled  that  BH  mergers  are  accumulations  of  equal-mass  ones  and  suppose  these  occurs  hierarchically.  We did not include gas accretion after a BH is formed. 

Details numbers are, of course, depend on model settings and model parameters.  

We assume all the galaxies in the Universe evolve in the single scenario, which will over- estimate  the  event  rate  if  some  SMBHs  are  formed  from  the  direct  collapse  of  gas  cloud.  We also ignore galaxy mergers, which are another route of forming SMBHs.  

If we will observe  BH-BH mergers above 100 Msun, this model is the only  

one to predict such an event. 

Referensi

Dokumen terkait

Main items shown decline in exports niger seeds -100% , soyabean oil meal -68%, groundnut oil meal -100%, other residue of rape/ colza seed -78% b Main items shown growth despite