[論文レビュー] Black Hole Growth from Cosmological N-body Simulations

Miroslav Mićić, Kelly Holley‐Bockelmann+1 more|ArXiv.org|May 20, 2008

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、z ≈ 50 から z = 0 まで、人口III星の種から中質量ブラックホール（IMBH）および超大質量ブラックホール（SMBH）の成長を高解像度の宇宙論的N体シミュレーションでモデル化する。主な成長メカニズムは合体駆動型ガス降着およびブラックホール合体であり、特に巨大銀河合体の際に顕著に現れる。これにより、z ≈ 10 で約25 yr⁻¹ の合体率が得られ、観測可能なX線源として残存する質量の大きなブラックホールが得られる。

ABSTRACT

(Abridged) We use high resolution cosmological N-body simulations to study the growth of intermediate to supermassive black holes from redshift 49 to zero. We track the growth of black holes from the seeds of population III stars to black holes in the range of 10^3 < M < 10^7 Msun -- not quasars, but rather IMBH to low-mass SMBHs. These lower mass black holes are the primary observable for the Laser Interferometer Space Antenna (LISA). The large-scale dynamics of the black holes are followed accurately within the simulation down to scales of 1 kpc; thereafter, we follow the merger analytically from the last dynamical friction phase to black hole coalescence. We find that the merger rate of these black holes is R~25 per year between 8 < z < 11 and R = 10 per year at z=3. Before the merger occurs the incoming IMBH may be observed with a next generation of X-ray telescopes as a ULX source with a rate of about ~ 3 - 7 per year for 1 < z < 5. We develop an analytic prescription that captures the most important black hole growth mechanisms: galaxy merger-driven gas accretion and black hole coalescence. Using this, we find that SMBH at the center of Milky Way type galaxy was in place with most of its mass by z = 4.7, and most of the growth was driven by gas accretion excited by major mergers. Hundreds of black holes have failed to coalesce with the SMBH by z=0, some with masses of 10000 Msun, orbiting within the dark matter halo with luminosities up to ~ 30000 Lsun. These X-ray sources can easily be observed with Chandra at ~ 100 kpc.

研究の動機と目的

• 宇宙論的文脈において、人口III星の残骸から中質量ブラックホール（IMBH）および超大質量ブラックホール（SMBH）の形成と成長をモデル化すること。
• 低質量ブラックホールの合体率を定量化し、次世代のX線望遠鏡を用いたultraluminous X線（ULX）源としての可視化可能性を評価すること。
• 銀河合体、ガス降着、ブラックホール合体の役割が、z = 0 までに約10³ M☉ にまで達するSMBHの構築にどのように寄与するかを評価すること。
• 合体駆動型降着と合体に基づくシンプルな解析的記述式を構築し、完全なシミュレーションと照合すること。
• 重力波の反動が、低質量ダークマターハロー内でのブラックホールの成長と保持に与える影響を評価すること。

提案手法

• z ≈ 49 から z = 0 まで、人口III星の種からブラックホールの成長を追跡する高解像度の宇宙論的N体シミュレーションを実施。種の質量分解能が十分に高く、初期種を解像可能である。
• 大規模なブラックホールダイナミクスを1 kpc まで追跡し、その後、動的摩擦から合体までの最終合体フェーズに解析モデルを適用する。
• ガスを豊富に含む銀河合体シミュレーションを用い、フィードバックおよび星形成を組み込んで、ブラックホール質量降着の解析的成長記述式をキャリブレーションする。
• 解析的記述式を用いて、観測された質量と赤方偏移の進化に一致する、ミルキーウェイに類似したSMBHおよびダークマターハローを成長させる。
• 予備合体段階のIMBHを、高温で希薄なハロー内ガス中で特定し、X線輝度を計算することでULX源の発生率を推定する。
• 重力波の反動がブラックホール保持に与える影響を評価し、150 km s⁻¹ 以上のキック速度が低質量ハローからのブラックホールの脱出を引き起こす可能性があることを指摘する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙論的N体シミュレーションにおいて、z = 11 から z = 0 の間に中質量および低質量超大質量ブラックホールの合体率はどの程度か？
• RQ2 銀河合体と関連するガス降着は、人口III星の種からSMBHに至るブラックホールの成長をどのように駆動するか？
• RQ3 予備合体段階の中質量ブラックホールは、z ≤ 5 でultraluminous X線（ULX）源として観測可能か？その発生率はどの程度か？
• RQ4 重力波の反動は、高赤方偏移における低質量ダークマターハロー内でのブラックホールの保持と成長にどのように影響するか？
• RQ5 合体駆動型降着に基づくシンプルな解析的記述式は、ミルキーウェイに類似したSMBHの質量と赤方偏移の進化を再現できるか？

主な発見

• z = 8 から z = 11 の間、ブラックホールの合体率は約25 yr⁻¹ であり、z = 3 では約10 yr⁻¹ に減少する。
• 人口III星形成の最低効率でも、合体率は約2–3 yr⁻¹ のまま維持され、依然としてLISAの観測対象として妥当である。
• 予備合体段階のIMBHは、最大で約30,000 L☉ の輝度を示し、1 ≤ z ≤ 5 の範囲で約3–7 yr⁻¹ の割合でULX源として観測可能である。
• シミュレーションにおけるミルキーウェイに類似したSMBHは、z = 0 で約10⁶ M☉ に達し、その大部分の質量はz ≈ 4.7 の巨大合体に伴うガス降着によって得られた。
• z = 0 で数百のブラックホールが未合体状態で残存し、質量は最大10⁴ M☉ に達する。これらは約100 kpc の距離で明るいX線源として観測可能である可能性がある。
• 重力波の反動速度が150 km s⁻¹ を超えると、ブラックホールが低質量ハローから脱出する可能性があり、希薄な環境での成長が抑制される。