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致密年轻星团中通过失控碰撞形成超大质量黑洞。

Formation of massive black holes through runaway collisions in dense young star clusters.

作者信息

Zwart Simon F Portegies, Baumgardt Holger, Hut Piet, Makino Junichiro, McMillan Stephen L W

机构信息

Astronomical Institute Anton Pannekoek, and Institute for Computer Science, University of Amsterdam, Kruislaan 403, The Netherlands.

出版信息

Nature. 2004 Apr 15;428(6984):724-6. doi: 10.1038/nature02448.

DOI:10.1038/nature02448
PMID:15085124
Abstract

A luminous X-ray source is associated with MGG 11--a cluster of young stars approximately 200 pc from the centre of the starburst galaxy M 82 (refs 1, 2). The properties of this source are best explained by invoking a black hole with a mass of at least 350 solar masses (350 M(o)), which is intermediate between stellar-mass and supermassive black holes. A nearby but somewhat more massive cluster (MGG 9) shows no evidence of such an intermediate-mass black hole, raising the issue of just what physical characteristics of the clusters can account for this difference. Here we report numerical simulations of the evolution and motion of stars within the clusters, where stars are allowed to merge with each other. We find that for MGG 11 dynamical friction leads to the massive stars sinking rapidly to the centre of the cluster, where they participate in a runaway collision. This produces a star of 800-3,000 M(o) which ultimately collapses to a black hole of intermediate mass. No such runaway occurs in the cluster MGG 9, because the larger cluster radius leads to a mass segregation timescale a factor of five longer than for MGG 11.

摘要

一个明亮的X射线源与MGG 11相关联——MGG 11是一组年轻恒星,距离星爆星系M 82的中心约200秒差距(参考文献1、2)。该源的特性最好用一个质量至少为350个太阳质量(350M⊙)的黑洞来解释,这个黑洞介于恒星质量黑洞和超大质量黑洞之间。附近一个质量稍大一些的星团(MGG 9)没有显示出存在这种中等质量黑洞的迹象,这就引出了一个问题:星团的哪些物理特征能够解释这种差异。在这里,我们报告了星团内恒星演化和运动的数值模拟,其中恒星被允许相互合并。我们发现,对于MGG 11,动力学摩擦导致大质量恒星迅速沉入星团中心,在那里它们参与了一场失控碰撞。这产生了一颗质量为800 - 3000M⊙的恒星,最终坍缩成一个中等质量的黑洞。在星团MGG 9中没有发生这种失控情况,因为更大的星团半径导致质量分离时间尺度比MGG 11长五倍。

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