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Origin of SMBH? 

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(1)

真貝寿明  (大阪工業大)

2017/3/7 東京大理 安東研セミナー

1

Gravitational Waves   from  

Merging Intermediate-Mass Black Holes

Origin of SMBH? 

GW event rate?

How many BHs in a galaxy? 

How many galaxies in the Universe?

真貝・神田・戎崎, ApJ, 835 (2017) 276 [arXiv:1610.09505]

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

(2)

  1. Gravitational Wave  >>  Expected Waveform

!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

× 10 22

NS-NS  NS-BH  BH-BH

time 

Inspiral Merger Ringdown

(3)

http://www.ligo.org/magazine/LIGO-magazine-issue-8.pdf 3

(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

× 10 22

  1. Gravitational Wave  >>  Expected Amplitude

(5)

KAGRA

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

20170307  真⾙貝

5

  1. Gravitational Wave  >>  Expected Events

10 -4 0.01 1 100

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

S tr ai n S en si ti v it y p S n ( f )[ Hz 1 / 2 ]

frequency [Hz]

f QNM f QNM

f QNM

5R g 10R g

50R g

2R g

10 M + 10 M 10 2 M + 10

2 M 10 3 M + 10

3 M 10 4 M + 10

4 M 10 5 M + 10

5 M

(6)

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

10 -4 0.01 1 100

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

S tr ai n S en si ti v it y p S n ( f )[ Hz 1 / 2 ]

frequency [Hz]

10 M + 10 M 10 2 M + 10

2 M 10 3 M + 10

3 M 10 4 M + 10

4 M

f QNM f QNM

f QNM

5R g 10R g

50R g

2R g 10 5 M + 10

5 M

  1. Gravitational Wave  >>  Expected Events

KAGRA

(7)

10 -4 0.01 1 100 10 -23

10 -21 10 -19 10 -17

S tr ai n S en si ti v it y p S n ( f )[ Hz 1 / 2 ]

frequency [Hz]

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

10 3 M + 10 3 M

10M 2h + 10M 12s 12m 0.76s 1.2s 70ms 21h 2m 7.7s

8.9d 20m 1.25m 89d 3.4h 12m

20170307  真⾙貝

7

  1. Gravitational Wave  >>  Expected Events

(8)

  1. Gravitational Wave  >>  2015 Detections

LIGO : Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory

4km 

Michelson

(9)

http://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/plan/history

3km Michelson  Cryogenic (20K) 

in quiet mountain site 

Sapphira mirrors KAGRA :  Kamioka Gravitational wave detector 

(Large-scale Cryogenic Gravitational wave Telescope) 

神楽(かぐら) 

Sinto Music

S tr ai n n oi se am p li tu d e[ 1 / p Hz ]

frequency[Hz]

1 10 100 1000 104

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

Kagra

TOBA

aLIGO aVIRGO

ET

2016/3/25-31, 4/11-25 initial test run, iKAGRA

9

(10)

https://mediaassets.caltech.edu/gwave

2015/9/16--2016/1/15 Observational run 1 2016/11/30—

Observational run 2 LIGO : Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory

  1. Gravitational Wave  >>  2015 Detections

(11)

GW150914

observed by LIGO L1, H1 source type black hole (BH) binary

date 14 Sept 2015

time 09:50:45 UTC

likely distance 0.75 to 1.9 Gly 230 to 570 Mpc redshift 0.054 to 0.136 signal-to-noise ratio 24

false alarm prob. < 1 in 5 million false alarm rate < 1 in 200,000 yr

Source Masses M⊙

total mass 60 to 70

primary BH 32 to 41

secondary BH 25 to 33

remnant BH 58 to 67

mass ratio 0.6 to 1

primary BH spin < 0.7 secondary BH spin < 0.9

remnant BH spin 0.57 to 0.72 signal arrival time

delay

arrived in L1 7 ms before H1 likely sky position

Southern Hemisphere

likely orientation face-on/off resolved to ~600 sq. deg.

duration from 30 Hz ~ 200 ms # cycles from 30 Hz ~10

peak GW strain 1 x 10

-21

peak displacement of

interferometers arms ±0.002 fm

frequency/wavelength

at peak GW strain

150 Hz, 2000 km peak speed of BHs ~ 0.6 c peak GW luminosity 3.6 x 10

56

erg s

-1

radiated GW energy 2.5-3.5 M⊙

remnant ringdown freq. ~ 250 Hz

.

remnant damping time ~ 4 ms

.

remnant size, area

180 km, 3.5 x 105 km2

consistent with

general relativity?

passes all tests performed graviton mass bound < 1.2 x 10

-22

eV

coalescence rate of

binary black holes 2 to 400 Gpc

-3

yr

-1 online trigger latency

~ 3 min # offline analysis pipelines 5

CPU hours consumed ~ 50 million (=20,000 PCs run for 100 days) papers on Feb 11, 2016 13

# researchers ~1000, 80 institutions in 15 countries

B A C K G R O U N D I M A G E S : T I M E - F R E Q U E N C Y T R A C E ( T O P ) A N D T I M E - S E R I E S

( B O T T O M ) I N T H E T W O L I G O D E T E C T O R S ; S I M U L A T I O N O F B L A C K H O L E H O R I Z O N S ( M I D D L E - T O P ) , B E S T F I T W A V E F O R M ( M I D D L E - B O T T O M )

G W 1 5 0 9 1 4 : F A C T S H E E T

first direct detection of gravitational waves (GW) and first direct observation of a black hole binary

Detector noise introduces errors in measurement. Parameter ranges correspond to 90% credible bounds.

Acronyms: L1=LIGO Livingston, H1=LIGO Hanford; Gly=giga lightyear=9.46 x 1012 km; Mpc=mega parsec=3.2 million lightyear, Gpc=103 Mpc, fm=femtometer=10-15 m, M⊙=1 solar mass=2 x 1030 kg

(12)

observed by LIGO L1, H1 source type black hole (BH) binary

date 14 Sept 2015

time 09:50:45 UTC

likely distance 0.75 to 1.9 Gly 230 to 570 Mpc redshift 0.054 to 0.136 signal-to-noise ratio 24

false alarm prob. < 1 in 5 million false alarm rate < 1 in 200,000 yr

Source Masses M⊙

total mass 60 to 70

primary BH 32 to 41

secondary BH 25 to 33

remnant BH 58 to 67

mass ratio 0.6 to 1

primary BH spin < 0.7 secondary BH spin < 0.9

remnant BH spin 0.57 to 0.72 signal arrival time

delay arrived in L1 7 ms before H1 likely sky position Southern Hemisphere

likely orientation face-on/off resolved to ~600 sq. deg.

duration from 30 Hz ~ 200 ms # cycles from 30 Hz ~10

peak GW strain 1 x 10-21 peak displacement of

interferometers arms ±0.002 fm frequency/wavelength

at peak GW strain 150 Hz, 2000 km peak speed of BHs ~ 0.6 c peak GW luminosity 3.6 x 1056 erg s-1 radiated GW energy 2.5-3.5 M⊙

remnant ringdown freq. ~ 250 Hz . remnant damping time ~ 4 ms . remnant size, area 180 km, 3.5 x 105 km2

consistent with

general relativity? passes all tests performed graviton mass bound < 1.2 x 10-22 eV

coalescence rate of

binary black holes 2 to 400 Gpc-3 yr-1 online trigger latency ~ 3 min # offline analysis pipelines 5

CPU hours consumed ~ 50 million (=20,000 PCs run for 100 days) papers on Feb 11, 2016 13

# researchers ~1000, 80 institutions in 15 countries B A C K G R O U N D I M A G E S : T I M E - F R E Q U E N C Y T R A C E ( T O P ) A N D T I M E - S E R I E S

( B O T T O M ) I N T H E T W O L I G O D E T E C T O R S ; S I M U L A T I O N O F B L A C K H O L E H O R I Z O N S ( M I D D L E - T O P ) , B E S T F I T W A V E F O R M ( M I D D L E - B O T T O M )

G W 1 5 0 9 1 4 : F A C T S H E E T

first direct detection of gravitational waves (GW) and first direct observation of a black hole binary

Detector noise introduces errors in measurement. Parameter ranges correspond to 90% credible bounds.

Acronyms: L1=LIGO Livingston, H1=LIGO Hanford; Gly=giga lightyear=9.46 x 1012 km; Mpc=mega parsec=3.2 million lightyear, Gpc=103 Mpc, fm=femtometer=10-15 m, M⊙=1 solar mass=2 x 1030 kg

13億光年先 

(400 170 Mpc) 

(z=0.054̶0.136) 

36Msun + 29 Msun 

のBHが合体して 62 Msun 

(3 Msun分の質量が消失) 

重力波が検出された! 

重力波が検出できた! 

BHが存在した! 

BH連星が存在した! 

相対論が第0近似として正しい!

(13)

https://www.ligo.caltech.edu/system/avm̲image̲sqls/binaries/57/page/Black̲Hole̲Mass̲Chart.jpg?1465864737

BHs!

29M+36M=62M 7M+14M=20M

why not more?

(14)

  1. Gravitational Wave  >>  Expected Waveform

!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

× 10 22

NS-NS  NS-BH  BH-BH

Inspiral Merger Ringdown

time 

(15)

KAGRA

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

15

  1. Gravitational Wave  >>  Expected Events

10 -4 0.01 1 100

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

S tr ai n S en si ti v it y p S n ( f )[ Hz 1 / 2 ]

frequency [Hz]

f QNM f QNM

f QNM

5R g 10R g

50R g

2R g

10 M + 10 M 10 2 M + 10

2 M 10 3 M + 10

3 M 10 4 M + 10

4 M 10 5 M + 10

5 M

(16)

S tr ai n n oi se am p li tu d e[ 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 10 4

10 100 1000 10 4

a = 0.0

a = 0.5 a = 0.9

M BH /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 f qnm = c 3

2⇡ GM T 1 0.63(1 a) 0.3

(17)

Rees, M.J. 1978. Observatory 98: 210 17

  2. Model of SMBH

(18)

Volonteri, Science 337 (2012) 544

  2. Model of SMBH

(19)

  2. Model of SMBH

Greene, Nature Comm 3 (2012)  [arXiv:1211.7082]

19

(20)

Gas Cloud

BHs

IMBHs

SMBHs

Halo

Galaxy Globular 

Cluster Massive 

Stars

  2. Model of SMBH

(21)

21

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)

(22)

0.15pc from SgrA* 

1-2 x 10 4  Msun

1602.05325

(23)

PortegiesZwart+, ApJ 641(2006)319

23

(24)

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  

雰囲気(巡り逢い)+仲良し成長 モデル

(25)
(26)
(27)

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

IMBH-IMBH mergers produce low freq. GW 

27

(28)
(29)

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

29

(30)

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?

(31)

31

Mass Function of Giant Molecular Clouds

1 100 10 4 10 6

10 -4 1 10 4 10 8 10 12

M 10 12 M

10 9 M

galaxy mass

GMC mass

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

How many BHs in a Galaxy?

(32)

10 100 1000 10 4 10 -7

0.001 10.000 10 5

1309.1223v3

10 12 M

10 9 M

Galaxy Mass n(M)

BH mass

Molecular Clouds  

       Maximum Core      

Building Block BH 

How many BHs in a Galaxy?

(33)

33

Count BHs to form a SMBH

10 1000 105 107 109 1011

10-7 10-4 0.1 100 105

10 100 1000 10 4

10 -7 0.001 10.000 10 5

10 12 M

10 9 M

Galaxy Mass n(M)

BH mass

Building Block BH 

BH mass n(M)

How many BHs in a Galaxy?

(34)

Count BHs to form a SMBH

10 1000 105 107 109 1011

10-7 10-4 0.1 100 105

dynamical friction

n(M)

How many BHs in a Galaxy?

(35)

35

(sub-)Galaxy 

from Halo model  

Star Formation Rate  

peak z=3.16

Count BHs to form a SMBH

How many Galaxies in the Universe?

(36)

36

1011 1012 1013 1014 1015

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

z = 0 z = 5

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    

(37)

37 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

(38)

(sub-)Galaxy 

from Halo model  

Star Formation Rate  

peak z=3.16

Count BHs to form a SMBH

How many Galaxies in the Universe?

(39)

McConnell-Ma 

ApJ 764(2013)184

39

(40)

図F

BH mass

z z

in Standard Cosmology

How many BH mergers in the Universe?

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

Standard Cosmology

averaging distances  

for all directions

(41)

Signal-to-Noise Ratio (SNR)

S tr a in n o is e am p li tu d e[ 1 / √ Hz]

frequency[Hz]

Kagra

TOBA

aLIGO aVIRGO

ET

41

(42)

Detectable Distances at bKAGRA

Hierarchical Growth   

2 = 8 5

r (a) f R 2

(1 + z)M S h (f R /(1 + z))

✓ (1 + z)M d L (z )

◆ 2 ✓ 4µ M

◆ 2

SNR

Energy emission=4% of total M,1% at ringdown Flanagan&Hughes, PRD57(198)4535

Standard Cosmology

a = 0.9

KAGRA KAGRA

(43)

Slide copy from Hiroyuki Nakano

43

GW150914

4.7% of mass  emitted 

in total 2.8% of mass 

emitted by ISCO

1% of mass 

emitted  

in ringdown?

(44)

図F

BH mass

z z

in Standard Cosmology

How many BH mergers in the Universe?

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

Standard Cosmology

averaging distances  

for all directions

(45)

Event Rates at bKAGRA

BH spin=0.9,0.5,0.0

peak at 60M

range 40M-150M

7 events/yr

210 events/yr

45

(46)

Event Rates at bKAGRA/aLIGO

7 events/yr

peak at 60M

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

E ve n t R at e [1 / yr]

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

10 50 100 500 1000 5000 104

0.5 1 5 10 50 100

N merger

10 50 100 500 1000 5000 104

107 108 109 1010 1011 1012

range 40M-150M

210 events/yr

LIGO group [1602.03842]

Inoue+ MNRAS461(16)4329

6-400 /Gpc^3/yr

Kinugawa+ MNRAS456(15)1093

70-140 /yr

(47)

Event Rates at bKAGRA/aLIGO

7 events/yr

peak at 60M

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

E ve n t R at e [1 / yr]

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

10 50 100 500 1000 5000 104

0.5 1 5 10 50 100

N merger

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

47

(48)

10 -4 0.01 1 100 10 -23

10 -21 10 -19 10 -17

S tr ai n S en si ti v it y p S n ( f )[ Hz 1 / 2 ]

frequency [Hz]

Sensitivity  of  Space  GW  Interferometers

10 3 M + 10

3 M

10 2 M + 10

2 M 10 4 M + 10

4 M

(49)

10 -4 0.01 1 100 10 -23

10 -21 10 -19 10 -17

10 3 M + 10

3 M

10 2 M + 10

2 M 10 4 M + 10

4 M

S tr ai n S en si ti v it y p S n ( f )[ Hz 1 / 2 ]

frequency [Hz]

Sensitivity  of  Space  GW  Interferometers

49

(50)

http://rhcole.com/apps/GWplotter/

これは遊べる GWplotter

(51)

105 106 107 108 107

108 109 1010 1011 1012

観測できるBH数分布 1年間で観測できるBH数分布 

(S/N=10)

spin 0.9

spin 0

BH質量[Msun]

BH質量[Msun]

年55個

104 105 106 107 108

0.10 1 10 100

104 105 106 107 108 109

10 100 1000 104

観測できるBH合体距離  (S/N=10)

BH質量[Msun]

[Mpc]

10-4 0.01 1 100

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

eLISA N2A5

51

Event Rates at eLISA

(52)

観測できるBH数分布 1年間で観測できるBH数分布 

(S/N=10)

spin 0.9

spin 0

BH質量[Msun]

BH質量[Msun]

観測できるBH合体距離  (S/N=10)

BH質量[Msun]

[Mpc]

10-4 0.01 1 100

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

PreDECIGO

100 1000 104 105 106 107

0.10 1 10 100 1000

100 1000 104 105 106 107

107 109 1011 1013

1 10 100 1000 104 105 106

1 10 100 1000 104 105

Event Rates at PreDECIGO

(53)

100 1000 104 105 106 107 107

109 1011 1013

観測できるBH数分布 1年間で観測できるBH数分布 

(S/N=30)

spin 0.9

spin 0

BH質量[Msun]

BH質量[Msun]

観測できるBH合体距離  (S/N=30)

BH質量[Msun]

[Mpc]

10-4 0.01 1 100

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

PreDECIGO

1 10 100 1000 104 105 106

10 100 1000 104

100 1000 104 105 106 107

0.10 1 10 100

1000 年4850個

53

Event Rates at PreDECIGO

(54)

BH spin=0.9,0.5,0.0

まとめ

重力波検出のデータを蓄積することによって,銀河分布やSMBH形成シナリオを特定 したり,宇宙膨張モデルの検証や,重力理論の検証が可能になる.

SMBHの形成シナリオとして, IMBHsの合体を経由するボトムアップシナリオ を仮定して,重力波検出頻度を計算した. 

モデルの仮定: 

 分子雲のコアが10Msun以上になったら,BHになると仮定した. 

 BHは等質量同士のものが次々に合体して成長していくものと仮定した. 

 BHが形成された後,ガス降着で太ることは考慮していない. 

 銀河数分布は,サブハローモデルと,星形成率を乗じたものから計算した. 

 銀河どうしの合体は考えていない. 


 SMBHは,宇宙初期のガスのdirect collapseによって生じたという説もあるが, 

 そのような形成仮定があれば,このモデルで得た検出頻度は減る. 


 リングダウン部分の重力波を直接検出できる,と仮定した. 

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