A search for wandering black holes in the Milky Way

Abstract

Aquesta tesi representa un esforç exhaustiu per identificar i caracteritzar la població de forats negres intermedis errants (IMBHs) a la Via Làctia mitjançant un enfocament que integra mètodes observacionals i de modelatge computacional. En la part observacional, s'han analitzat dades públiques dels catàlegs \textit{Hyper Suprime-Cam}, \textit{Pan-STARRS} i \textit{Gaia} per identificar possibles candidats a cúmuls estel·lars hipercompactes que podrien albergar IMBHs. El procés de selecció ha implicat un rigorós procediment de filtratge, que inclou: (1) la detecció de sobredensitats estel·lars compactes i desconegudes mitjançant un algorisme \textit{k-d tree}, (2) l'ajust d'isòcrones en diagrames color-magnitud utilitzant diverses poblacions estel·lars simulades, i (3) l'anàlisi de les estrelles més brillants dels candidats seleccionats en l'espai de moviments propis. A més, s'han obtingut observacions de seguiment mitjançant el \textit{Gran Telescopi Canarias} per a tres dels nostres candidats amb l'objectiu d'obtenir evidència més concloent sobre la seva naturalesa.

En la part computacional, s'ha emprat el model semi-analític \texttt{L-Galaxies}, construït sobre la simulació N-body de matèria fosca \texttt{Millennium-II}, per caracteritzar la població de forats negres errants (WBHs) en galàxies tipus Via Làctia a \textit{redshift} 0. Els resultats prediuen poblacions de $\sim$10 WBHs, amb masses típiques de $\sim2 \times 10^{3}\,\mathrm{M}_{\odot}$. La seva distribució radial mostra una correlació amb els seus escenaris de formació: mentre que els \textit{remanents de fusió} —forats negres dipositats per galàxies satèl·lit en procés de fusió que van espiralitzant cap al centre galàctic— es concentren prop del nucli galàctic ($<$1~kpc), els \textit{errants} —forats negres expulsats de les seves galàxies amfitriones per retrocés gravitatori o disrupció tidal— tendeixen a habitar l'halo exterior ($>$100~kpc). Una fracció significativa d'aquests errants s'identifica com a restes de llavors de forat negre, cosa que reflecteix un creixement limitat i orígens en entorns de baixa metal·licitat.

Aquest enfocament dual, que combina una anàlisi observacional profunda amb un modelatge avançat, proporciona noves perspectives sobre els escenaris de formació, evolució i observabilitat dels IMBHs a la Via Làctia. Els resultats són crucials per guiar futurs esforços observacionals a baix \textit{redshift}, així com per millorar la caracterització ambiental dels vincles evolutius entre IMBHs i SMBHs en les properes simulacions cosmològiques. En conjunt, aquests resultats contribueixen a tancar la bretxa en el nostre coneixement sobre les poblacions de forats negres i el seu paper en l'evolució galàctica.

Esta tesis representa un esfuerzo integral por identificar y caracterizar la población de agujeros negros intermedios errantes (IMBHs) en la Vía Láctea mediante un enfoque que integra observaciones y modelado computacional. En la parte observacional, se analizaron datos públicos de los catálogos \textit{Hyper Suprime-Cam}, \textit{Pan-STARRS} y \textit{Gaia} para identificar posibles candidatos a cúmulos estelares hipercómpactos que podrían albergar IMBHs. El proceso de selección implicó un riguroso procedimiento de filtrado, que incluyó: (1) la detección de sobredensidades estelares compactas y desconocidas mediante un algoritmo \textit{k-d tree}, (2) el ajuste de isocronas en diagramas color-magnitud utilizando diversas poblaciones estelares simuladas, y (3) el análisis del extremo brillante de las estrellas candidatas en el espacio de movimientos propios. Además, se obtuvieron observaciones de seguimiento por parte del \textit{Gran Telescopio Canarias} para tres de nuestros candidatos con el fin de obtener evidencia más concluyente sobre su naturaleza.

En la parte computacional, se empleó el modelo semi-analítico \texttt{L-Galaxies}, construido sobre la simulación N-body de materia oscura \texttt{Millennium-II}, para caracterizar la población de agujeros negros errantes (WBHs) en galaxias tipo Vía Láctea en \textit{redshift} 0. Los resultados predicen poblaciones de $\sim$10 WBHs, con masas típicas de $\sim2 \times 10^{3}\,\mathrm{M}_{\odot}$. Su distribución radial muestra una correlación con sus escenarios de formación: mientras que los \textit{remanentes de fusión} —BHs depositados por galaxias satélite en proceso de fusión que van espiralizando hacia el centro galáctico— se concentran cerca del núcleo galáctico ($<$1~kpc), los \textit{errantes} —BHs expulsados de sus galaxias anfitrionas por retroceso gravitatorio o disrupción tidal— tienden a habitar el halo exterior ($>$100~kpc). Una fracción significativa de estos errantes se identifica como remanentes de semillas de BH, reflejando su escaso crecimiento y sus orígenes en entornos de baja metalicidad.

Este enfoque dual, que combina un análisis observacional profundo con un modelado avanzado, aporta nuevas perspectivas sobre los escenarios de formación, evolución y observabilidad de los IMBHs en la Vía Láctea. Los resultados son fundamentales para guiar futuros esfuerzos observacionales a bajo \textit{redshift}, así como para mejorar la caracterización ambiental de los vínculos evolutivos entre IMBHs y SMBHs en las próximas simulaciones cosmológicas. En conjunto, estos hallazgos contribuyen a cerrar la brecha en nuestro conocimiento sobre las poblaciones de BHs y su papel en la evolución galáctica.

This thesis represents a comprehensive effort to identify and characterize the population of wandering IMBHs in the MW by integrating observational and computational approaches. In the observational part, public data from the Hyper Suprime-Cam survey, Pan-STARRS, and the GAIA database were analyzed to identify hyper-compact star cluster candidates that may potentially host IMBHs. The selection process involved a rigorous filtering procedure, including 1) finding unknown and compact star overdensity outliers using a k-d tree algorithm, 2) fitting isochrones in colour magnitude diagrams utilizing a variety of mock stellar populations, and 3) analyzing the bright-end stars of our best candidates in proper motion space. Furthermore, observational follow-ups were granted by the Gran Telescopio Canarias for three of our candidates to provide more conclusive evidence of their nature.

In the computational part, the semi-analytical model \texttt{L-Galaxies}, built on top of the Millennium-II dark matter N-body simulation, was employed to characterize the population of wandering black holes (WBHs) in MW-type galaxies at redshift 0. The results predict populations of $\sim$10 WBHs, typically with masses $\sim$2 $\times$ 10$^{3}$ M$_{\odot}$. Their radial distribution is shown to correlate with their formation scenarios: while \textit{merger remnants} ---BHs deposited by merging satellite galaxies and gradually spiraling toward the galactic center--- are concentrated near the galactic nucleus ($<$1 kpc), \textit{wanderers}--- BHs ejected from their hosts by gravitational recoil or tidal disruption--- tend to inhabit the outer halo ($>$100 kpc). A significant fraction of these wanderers are identified as BH seed leftovers, reflecting their limited growth and their origins in low-metallicity environments.

This dual approach, combining deep observational analysis with advanced modeling, provides new insights on the formation scenarios, evolution and observability of IMBHs in the MW. The results are crucial for guiding future observational efforts at low redshift as well as improving the environmental completeness of the evolutionary links between IMBHs and SMBHs in upcoming cosmological simulations. Together, these findings contribute to closing the gap in our knowledge of BH populations and their role in galaxy evolution.