[論文レビュー] Accretion onto Intermediate-mass Seed Black Holes in Primordial Galaxies

Yuexing Li|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2011

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 50被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、原始的ガス雲内の100 M⊗の中質量ブラックホール種の降着を、高分解能1次元流体力学的シミュレーションを用いてモデル化し、放射フィードバックとガス自己重力を取り入れた。自己重力が放射抑制を克服し、1つの自由落下 timescale 内で降着率が Eddington 率の約86%に達することを発見した。また、降着率と周囲ガス密度の間には普遍的な相関関係が成立し、Eddington制限付き成長のための臨界密度閾値は約10^9 cm⁻³であることが明らかになった。

ABSTRACT

The origin of the supermassive black holes that power the most distant quasars observed is largely unknown. One hypothesis is that they grew rapidly from intermediate-mass seeds (~100 M_sun) left by the first stars. However, some previous studies argued that accretion onto these black holes was too low to build up the mass due to strong suppression by radiative feedback. Here, we re-exam the accretion process of such a black hole embedded in a primordial gas cloud, by considering a wide range of physical and numerical parameters not explored before. We find that, while radiative heating and pressure indeed suppress accretion effectively, self-gravity of the gas eventually overcomes the feedback effects and boosts the accretion to the Eddington rate after one free-fall timescale of the cloud. Moreover, for a given black hole mass, there exists a critical density above which the accretion can reach Eddington limit. Furthermore, we find a universal correlation between black hole accretion rate and ambient gas density, which may serve as a realistic recipe for black hole growth in simulations.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移クェザーを駆動する超大質量ブラックホールが、どのようにして初期銀河環境で急速に成長できたかという長年の謎を解明すること。
• 原始的ガス雲内の100 M⊗ブラックホールへの降着を制御する放射フィードバックとガス自己重力の相互作用を調査すること。
• 初期銀河環境の現実的な条件下で、Eddington制限付き降着が達成可能かどうかを検証すること。
• 宇宙論的シミュレーションにおける初期ブラックホール成長のシミュレーションに使用可能な、物理的に妥当な普遍的な降着レシピを導出すること。

提案手法

• 空間分解能（約10^11 cm）を実現した、改良版グリッドベースのVH-1コードを用いた1次元流体力学的シミュレーションを実施。
• 放射加熱、電子散乱圧力、中心ブラックホールからの光子イオン化フィードバックを含む、主要な物理過程を組み込んだ。
• 先行研究では無視されていたガス自己重力を一貫して組み込み、フィードバックに対して降着を促進する役割を評価した。
• 広範な範囲の初期ガス密度（10^5 から 10^11 cm⁻³）とブラックホール質量（10^2 から 10^9 M⊗）を変化させ、パラメータ空間を探索した。
• フィードバックと自己重力を考慮した修正版Eddington降着率の規定を用い、シミュレーションデータから導出したフィッティング式を採用した。
• 熱平衡の仮定の下で流体力学方程式を解き、降着率のn0M_BH積依存性に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始的ガス雲内の100 M⊗ブラックホールからの放射フィードバックがEddington制限付き降着を妨げるか、それとも自己重力がこれを克服できるか？
• RQ2 100 M⊗ブラックホールの降着がEddington限界に達するための周囲ガス密度の臨界値は何か？
• RQ3 異なるブラックホール質量と密度において、ブラックホールの降着率と周囲ガス密度の間に普遍的な相関関係が存在するか？
• RQ4 ガス自己重力を組み込むことで、それを無視するモデルと比較して平均降着率はどのように変化するか？
• RQ5 標準的なBondi降着を置き換えるために、簡単で物理的に妥当なフィッティング式を導出できるか？

主な発見

• ガスの自己重力のおかげで、1つの自由落下 timescale 経過後、平均降着率はEddington率の約86%にまで上昇するが、自己重力を考慮しない場合はわずか約25%にとどまる。
• 100 M⊗ブラックホールの場合、降着がEddington限界に達するための臨界ガス密度は約10^9 cm⁻³である。
• ブラックホールの降着率と周囲ガス密度の間には普遍的な相関関係が成立し、>M_BH = >M_Edd * (n0 / nc) / (1 + n0 / nc)^0.48（nc = 2×10^8 cm⁻³）と表せる。
• 重力的流入と放射フィードバックに起因する流出の相互作用により、降着挙動に周期的振動が現れる。
• 臨界密度のスケーリングは n_crit * M_BH = 2×10^8 cm⁻³ * (100 M⊗ / M_BH) に従い、n0M_BH積に普遍的な依存性があることが示された。
• 導出されたフィッティング式は、標準的なBondi降着よりも優れており、10^8 cm⁻³未満の密度では最大2桁の過大評価を回避する。