searching for intermediate mass black holes -...

26
1 Natalie Webb ULXs and their environments, June 2016 Searching for intermediate mass black holes Natalie Webb Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie Toulouse, France

Upload: nguyenkhanh

Post on 25-Apr-2018

214 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

1Natalie WebbULXs and their environments, June 2016

Searching for intermediate mass

black holes

Natalie Webb

Institut de Recherche en Astrophysique et PlanétologieToulouse, France

2

• Black holes : stellar mass, ~3­10s M⊙; supermassive, 10 6­10 M

• Black holes proposed : intermediate mass,  10 2­5 M⊙

 (IMBH)

Context

Natalie WebbULXs and their environments, June 2016

expect ~90% of ~109 M⊙ 

galaxies contain ~104 M⊙ 

black holes today

expect ~50% of ~109 M  ⊙galaxies contain > 105 M⊙ 

black holes today(Greene, 2012)

3

HLX­1

2XMM J011028.1­460421  (Farrell, Webb et al., Nature, 2009)~8” from nucleus of ESO 243­49  (z=0.0224, ~95 Mpc)If associated with ESO 243­49 => Lx=1.1x1042 erg s­1 (0.2­10.0 keV)

=> from  Eddington  luminosity (LEdd), M = 5000 M⊙

Superceding LEdd by a factor 10 (Begelman 02) => M > 500 M⊙ 

Natalie WebbULXs and their environments, June 2016

4

Wiersema et al. (2010)

HLX­1

Natalie WebbULXs and their environments, June 2016

Presence of Hα line confirmed by Soria et al. (2013)

Lasota, King & Dubus (2015) question the distance to HLX­1

Does the system originate in ESO 243­49 or is it due to a merger ?

HLX­1

Natalie WebbULXs and their environments, June 2016

5

8.2 σ, 45 μJy3 σ upper limit, 21 μJy (5+9 GHz)

Webb et al., Science (2012)

Servillat et al. (2011)

HLX­1

Natalie WebbULXs and their environments, June 2016

~1 yr~1 yr~1 yr ~1.25 yr~1 yr ~1 yr ~1.12 yr >1.4 yr

7

2XMM J011028.1­460421~8” from nucleus of ESO 243­49  (z=0.0224, ~95 Mpc)

HLX­1

Vmin

 ~ 25.4

Vmax

 ~ 23.6

Rmin

 ~ 24.5

Rmax

 ~ 23.5

Webb et al. (2014)

Natalie WebbULXs and their environments, June 2016

8

HLX­1

X(Godet et al. 2014)

Orbital evolutionof polytropic companion, n=1.5,  =5/3. Γ

Initial periapsis separation 

(relative to tidal radius) of 2.3 (red), 

2.4 (magenta), 2.5 (blue), 2.7 (black),

   λ = R/0.01R ,⊙ M4=MBH/104 M⊙

Natalie WebbULXs and their environments, June 2016

.

Lasota et al. (2011)

9

MUSE observations of the environment of HLX­1

Crédit : CXO

Webb et al. (2016)Natalie Webb

ULXs and their environments, June 2016

10

MUSE observations of ESO 243­49

Crédit : CXO

Galaxy mass ~ 8.1 x 1010  M⊙

Supermassive black hole mass ~ 1 x 108  M⊙

No evidence for a recent collision/merger

A rapidly spinning disc compared to slower bulge can indicate dry minor mergers in galaxy history, e.g. Arnold et al. (2014)

Minor merger scenario (Webb et al. 2010, Mapelli et al. 2013) possible

Younger, metal­poor halo, indicates little matter has been accreted &  initial diskiness of galaxy is thus preserved

Webb et al. (2016)

Natalie WebbULXs and their environments, June 2016

11

HLX­1

Crédit : CXO

Observations in low/hard state

Hα line flux diminished by > factor 10 

Confirms association of line with HLX­1 and thus distance to HLX­1

No radial velocity information due to faintness of line

No other lines from HLX­1 to understand environment 

Webb et al. (2016)

Natalie WebbULXs and their environments, June 2016

12Natalie WebbULXs and their environments, June 2016

12

Other intermediate mass black holes

Crédit : CXO

From Earnshaw et al. (2016)

Spectrum : Г~1.5,    Lx = 2.2x1038 ­ 5.1 x 1039 erg s­1

Low frequency break in power spectrum =>  MBH 

 < 1.6 x 103 M⊙

Radio & X­ray fluxes (fundamental plane)   =>  MBH 

 < 3.5 x 104 M⊙

M51a

Crédit : CXO

Heida, Jonker & Torres (2015)CXO J122518.6+144545

Natalie WebbULXs and their environments, June 2016 13

Other intermediate mass black holes

182 Mpc

14

Crédit : CXO

Natalie WebbULXs and their environments, June 2016

Tidal disruption events (TDE)

(Rees, Nature, 1988)

Tidal radius inside blackhole event horizon for masses > 108 M

 ⊙

Observe TDE from lowermass BHs

~10­5 – 10­4 event/gal./yr

~30 such events observed (Komossa 2015)

~

Other intermediate mass black holes

15

Crédit : CXO

Natalie WebbULXs and their environments, June 2016

~

Tidal disruption events

NH

=0.74+0.70

x1021 cm-2

kT = 57.8+3.9 eVΓ = 3.71+0.59

Χ2

ν = 0.92 (115 dof)

-3.9

-0.70

-0.59

Lin et al. (2011)

Coincident with centre of IC 4765­f01­1504 at z=0.0353

Galaxy inactive

Modelling the disc with kerrbb ⇒ M

BH ~ 6 x 104 – 4 x106 M

 ⊙

16

Crédit : CXO

z=0.42 (d~2.3 Gpc)

If at Eddington in X1 => M

BH  ~ 1 x 105 M

Lin et al. (2016)Natalie Webb

ULXs and their environments, June 2016

3.8 hr period from the galaxy J1231+11

Ho et al. (2011) estimate mass ~105 M ⊙

from narrow emisson lines

No longer detectable with Swift

If QPO is the low frequency type, M

BH < 4 x106 M

 ⊙ Lin et al. (2013)

Tidal disruption events2003

2005

2005

17Natalie WebbULXs and their environments, June 2016

Intermediate mass black holes in low mass galaxiesMuch work done by J. Greene & collaborators searching low mass tail of the SMBH mass­velocity dispersion and mass­bulge luminosity relations.

Improvements to mass­spheroid luminosity relation (Graham & Scott, '13)

Graham & Scott (2013) identified ~50 lower luminosity spheroids with AGN that have M

BH < 105 M

Investigated 17 candidates with X­ray/radio data and placed objects on black hole fundamental plane (Koliopanos et al. in prep.)

~

 Red dots = (luminous) core­Sérsic galaxies     blue circles = (intermediate­luminosity) Sérsic galaxies & bulges, open crosses = barred.

18Natalie WebbULXs and their environments, June 2016

Intermediate mass black holes in low mass galaxiesP

re

li

mi

na

ry

(Koliopanos et al. in prep.)

19

2XMM J011028.1­460421~8” from nucleus of ESO 243­49  (z=0.0224, ~95 Mpc)

Summary

HLX­1 is an excellent intermediate mass black hole (IMBH) candidate of                                                                                   ~2x104 M

HLX­1 fuelled by tidal stripping of companion in a short lived, highly elliptical binary

Distance and luminosity to HLX­1 confirmed by variability of Hα linecontemporary wth the X­ray variability 

Other IMBH may also be detected if they tidally strip/disrupt a star

Tidal disruption events may offer another way to locate new IMBHs

Some low mass galaxies may well be home to IMBH

Natalie WebbULXs and their environments, June 2016

20

2XMM J011028.1­460421~8” from nucleus of ESO 243­49  (z=0.0224, ~95 Mpc)

Open questions....

What is the size and the distribution of the population of IMBHs ?

 ­ how are IMBH formed ?

 ­ how do IMBH evolve (mergers/accretion) ?

Can we detect radial velocity from HLX­1 to understand the orbit ?

Was HLX­1 born in ESO 243­49 or is it the result of a minor merger ?

What is the nature of the environment around HLX­1 ?

Require observations to constrain properties 

...and simulations to understand the history of the galaxy

Natalie WebbULXs and their environments, June 2016

21

2XMM J011028.1­460421~8” from nucleus of ESO 243­49  (z=0.0224, ~95 Mpc)

Backup slides

Backup slides

Natalie WebbULXs and their environments, June 2016

22

MUSE observations of ESO 243­49

Crédit : CXO

Natalie WebbULXs and their environments, June 2016

23

Scott & Graham 2013

Crédit : CXO

sample of 72 galaxies with reliable supermassive black hole masses 

derive the M bh­(host spheroid luminosity, L) relation 

Ks ­band 2MASS data gives near­linear relation M bh L 1.10 ± 0.20 Ks for ∝the core­Sérsic spheroids thought to be built in additive dry merger events, 

relation M bh L 2.73 ± 0.55 Ks for Sérsic spheroids from gas­rich ∝processes. 

advocate that the near­linear M bh­L and M bh­M Spheroid relations at high masses may have arisen from additive dry merging of galaxies. 

new Sérsic M bh­L equations predict the masses of candidate intermediate mass black holes in almost 50 low­luminosity spheroids containing active galactic nuclei

Natalie WebbULXs and their environments, June 2016

24

Graham & Scott (2013)

Crédit : CXO(a) central velocity dispersion  , (b) Ks­band host spheroid magnitude, σand (c) B­band host spheroid magnitude. The red dots represent the (luminous) core­Sérsic galaxies and the blue circles represent the (intermediate­luminosity) Sérsic galaxies and bulges, while the open crosses designate those which are barred.

Natalie WebbULXs and their environments, June 2016

25

Scott & Graham 2013

Crédit : CXO

Schematic showing the evolutionary path of "dry" galaxy mergers as they branch off from the steeper, near­quadratic, Mbh–L relation for Sérsic galaxies built from "wet" mergers and/or gas­rich processes.

Natalie WebbULXs and their environments, June 2016

26

Scott & Graham 2013

Crédit : CXO

Predicted Intermediate Mass Black HolesGalaxy log M_bh/M_sun NGC 3185 -20.80 -20.94 5.3 +or- 0.9 NGC 3593 -20.70 -21.03 5.4 +or- 0.9 NGC 3600 -19.20 -19.72 4.0 +or- 1.1 NGC 3729 -20.10 -20.24 4.6 +or- 1.0 NGC 4245 -20.80 -20.93 5.3 +or- 0.9 NGC 4314 -21.00 -21.11 5.5 +or- 0.9 NGC 4369 -20.90 -21.01 5.4 +or- 0.9 NGC 4470 -20.40 -20.53 4.9 +or- 1.0 NGC 3003 -19.60 -20.09 4.4 +or- 1.0 NGC 3043 -20.80 -21.17 5.6 +or- 0.9 NGC 3162 -20.00 -20.12 4.4 +or- 1.0 NGC 3344 -19.30 -19.41 3.7 +or- 1.1 NGC 3507 -20.90 -21.01 5.4 +or- 0.9 NGC 3684 -20.60 -20.74 5.1 +or- 1.0 NGC 3686 -20.60 -20.72 5.1 +or- 1.0 NGC 3756 -18.20 -18.43 2.6 +or- 1.3 IC 467 -19.20 -19.50 3.8 +or- 1.1 NGC 514 -19.90 -20.02 4.3 +or- 1.0 NGC 628 -20.40 -20.51 4.9 +or- 1.0 NGC 864 -19.90 -20.03 4.3 +or- 1.0 NGC 2276 -20.90 -21.01 5.4 +or- 0.9 NGC 2715 -19.20 -19.56 3.8 +or- 1.1 NGC 2770 -19.10 -19.50 3.8 +or- 1.1 NGC 2776 -20.90 -21.01 5.4 +or- 0.9 NGC 2967 -20.30 -20.41 4.8 +or- 1.0 NGC 3041 -19.90 -20.05 4.4 +or- 1.0 NGC 3198 -19.80 -20.11 4.4 +or- 1.0 NGC 3359 -20.80 -20.97 5.4 +or- 0.9 NGC 3430 -20.10 -20.29 4.6 +or- 1.0 NGC 3433 -20.40 -20.51 4.9 +or- 1.0 NGC 3486 -19.90 -20.03 4.3 +or- 1.0 NGC 3596 -21.00 -21.11 5.5 +or- 0.9 NGC 3666 -18.20 -18.63 2.8 +or- 1.2 NGC 3726 -20.10 -20.24 4.6 +or- 1.0 NGC 3780 -20.20 -20.32 4.7 +or- 1.0 NGC 3938 -20.50 -20.61 5.0 +or- 1.0 NGC 4062 -18.50 -18.78 3.0 +or- 1.2 NGC 4096 -19.40 -19.84 4.1 +or- 1.1 NGC 4136 -18.00 -18.11 2.2 +or- 1.3 NGC 4152 -20.80 -20.92 5.3 +or- 0.9 NGC 4212 -20.10 -20.27 4.6 +or- 1.0

Natalie WebbULXs and their environments, June 2016