Research press release

天文学:星を放り出すブラックホール

Nature Astronomy

Astronomy: Black holes throw their weight around

球状星団「パロマー5」は、10億年後には、星が放り出された数十個のブラックホールの集合体になることを示唆する論文が、今週Nature Astronomy 報告される。今回の発見は、パロマー5の進化についての理解だけでなく、銀河系内の他の星団の運命にも影響するものである。

パロマー5には、2つの特徴がある。1つは、銀河系ハローと呼ばれる銀河系を取り囲む古い星の集合体の中で最もまばらな星団の1つであるということ、もう1つは、星団から放り出された星で構成された流れる2本の長い「尾」を持っていることである。この尾は、天球の20度以上にわたって広がっているため、パロマー5は尾の形成に関する理解を深める上で重要な星団である。

今回Mark Gielesたちは、パロマー5の進化を調べるために、星ごとのシミュレーションを行った。その結果、その構造および特徴的な尾という2つの際立った特徴が、現在の星団の質量のおよそ20%を占める恒星質量ブラックホールの集団の産物かもしれないことが分かった。今回のシナリオでは、パロマー5のブラックホールの質量の割合は、時間の経過とともに星がブラックホールよりも速く失われる臨界閾値を超えた。その後、星団は膨張し、尾の形成が促進された。10億年後には、現在のブラックホールの集合体の重力的な影響により、星団内の星が全て放り出され、ブラックホールだけが残ることになる。

もともと高密度の星団がさらにコンパクトになり、ブラックホールの割合が減少して観測可能な尾がなくなることから、パロマー5のようなブラックホールを多く含む広がった星団は、最近検出された、関連する星団を持たない、星でできた細いストリームの前駆天体の可能性があると著者たちは結論付けている。

The globular cluster of stars, Palomar 5, will turn into a collection of tens of black holes from which the stars have been ejected in a billion years, suggests a paper published in Nature Astronomy this week. These findings have implications not only for our understanding of the evolution of Palomar 5, but also for the fate of other clusters in the Milky Way.

Palomar 5 has two defining characteristics: it is one of the sparsest star clusters in the so-called Galactic halo — the collection of old stars that surrounds the Milky Way — and it has two long ‘tails’ streaming from it, composed of ejected stars. As these tails span more than 20 degrees across the sky, Palomar 5 is a valuable cluster for enriching our knowledge of tail formation.

Mark Gieles and colleagues performed star-by-star simulations to investigate the evolution of Palomar 5. These simulations reveal that the two distinguishing features of Palomar 5 — its structure and prominent tails — could be products of a population of stellar-mass black holes that constitute around 20% of the mass of the current cluster. In the scenario presented, this fraction of mass in black holes in Palomar 5 exceeded the critical threshold where stars become lost more quickly than black holes over time. Subsequently, the cluster inflated, boosting tail formation. In a billion years, the gravitational influence of the current black hole population will eject all of the stars in the cluster, leaving only black holes.

As originally denser clusters go on to be more compact, with a smaller proportion of black holes and no observable tails, the authors conclude that black hole rich, extended star clusters like Palomar 5 are thus the possible progenitors of the recently detected, thin streams of stars that have no cluster associated with them.

doi: 10.1038/s41550-021-01392-2

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