Hyper-velocity stars from globular clusters hosting intermediate-mass black holes

Abstract

In 1988 Hills proposed that stars can gain velocities above 500 km s−1
if they are in a stellar binary which gets disrupted by a super massive black hole (SMBH). One of the stars would get trapped in an elliptical orbit around the SMBH while the other gets ejected and obtains a relatively high velocity. Normally stars within galaxies have low peculiar velocities but stars ejected with velocities over 500 km/s can potentially escape the galaxy. Stars of this nature are called hypervelocity stars (HVS) and in 2005 the first of such a star was discovered in the halo of our Galaxy.

For this project we study the possibility of HVSs being generated by the less established intermediate-mass black hole (IMBH). There is some evidence, while not concrete, suggesting that IMBHs can exist in globular clusters (GCs) making this the environment we are considering. We set up and study the outcome of about 100,000 scattering encounters between a stellar binary and an IMBH for a range of different initial conditions. Not only do we analyze the interactions that result in the production of a high-velocity star due to the Hills mechanism but also the ones resulting in mergers and flybys. All of this is performed using the Tsunami code which is an N -body integrator with a lot of useful tools and features.

We reach the conclusion that the semi-major axis of the stellar binary is the main factor in determining whether or not an HVS can be generated. Of significant importance is also the mass of the IMBH and the initial orientation of the interaction. In addition, mergers occur more frequently when the semi-major axis is tighter and flybys are more likely when the ratio between the pericenter distance of the encounter and the binary semi-major axis is larger. Finally, we obtain 6 HVSs out of 27 encounters between binary white dwarfs and an IMBH for which the initial conditions were taken from realistic GC models.

Popular Abstract

En klar natt kan man se tusentals stjärnor på natthimlen ovan oss. Det finns dock mer struktur bakom dem än vad bara ögat kan se. Dessa stjärnor befinner sig oftast i en större grupp med stjärnor kallade stjärnhopar. Det finns stjärnhopar med allt från tio till hundra tusentals stjärnor. De sistnämnda stjärnhoparna är oftast de äldsta och är så kallade klotformiga stjärnhop. Dessa har en kärna där majoriteten av stjärnorna är samlade väldigt tätt inpå varandra vilket g¨or det till en optimal miljö för interaktion mellan dem. Interaktionerna sker på grund av något vi kallar dynamik som inom astronomin ofta refererar till gravitationen som gör att objekt rör sig. Denna gravitation är densamma som håller kvar våra fötter på jorden och påverkar allt i universum som har en massa. När dynamiska interaktioner uppstår i en stjärnhop kan vi få binära stjärnsystem som består av två stjärnor som snurrar runt varandra, liknande hur vår jord snurrar runt solen.

Efter en lång tid som stjärna, vanligtvis miljoner år, kan massiva stjärnor kollapsa och avsluta sina liv som svarta hål. Svarta hål är kategoriserade efter massa och det finns två tydliga kategorier. Den ena är svarta hål med massor upp till några tiotals den av vår sol medan den andra kategorin är från hundra tusen till miljoner gånger solmassan. I intervallet mellan har vi inga konkreta bevis för svarta hål och därmed ingen definitiv förklaring till deras formation. Dock finns det indikationer på dess existens och en av teorierna är att de kan formas genom en krock av två mindre svarta hål. Med detta i åtanke, är klotformiga stjärnhop en möjlig plats för mellanliggande svarta hål.

I detta kandidatarbete undersöks vad som sker ifall ett binärt system närmar sig ett mellanliggande svart hål i ett klotformigt stjärnhop. Detta utförs genom data simulationer som använder sig av en redan etablerad kod med justeringar för våra egna omständigheter. Undersökningen fokuserar på de hastigheter som kan uppnås när det binära systemet slits isär av den dynamiska interaktionen med det svarta hålet. Normalt sett har stjärnor en hastighet på några tiotals km/s men genom denna interaktion hoppas vi kunna producera stjärnor med hastigheter över 500 km/s. De initiala omständigheterna för dessa typer av hastigheter, såsom avstånd mellan stjärnorna och massa på det svarta hålet, kommer också att analyseras.

Tidigare har Hills mekanismen blivit väl undersökt under omständigheterna av ett
supermassivt svart hål. Den typen av svarta hål vi undersöker är dock inte lika
etablerad då bevis för dessa inte är lika övertygande. Om projektet lyckas kan det
vara en möjlighet att våra simuleringar jämförs med dokumenterade observationer av
höghastighetsstjärnor och på så sätt fastställa deras ursprung. Utöver det kan projektet upplysa oss om sannolikheten att svarta hål med mellanliggande massa existerar och bildas i klotformiga stjärnhop.

• author: Skantz, Matilda
• supervisor: Abbas Askar
• organization: Astrophysics; Department of Physics
• course: ASTK03 20231
• year: 2023
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Hypervelocity stars, run-away stars, stellar binary, intermediate mass black hole, globular cluster, Hills mechanism
• report number: 2023-EXA207
• language: English
• id: 9132033
• date added to LUP: 2023-07-19 11:01:45
• date last changed: 2023-08-30 14:56:16