[論文レビュー] Breaking the limit: Super-Eddington accretion onto black holes and neutron stars

Murray Brightman, Matteo Bachetti+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2019

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、超Eddington降着—理論的Eddington限界を超える降着—が、特にz ~ 7で観測された初期宇宙における特大質量ブラックホール（SMBH）の急速な成長を説明するために不可欠であると主張している。ULX、TDE、AGNの観測を統合することで、著者らは、降着物理学を特定し、ブラックホールと中性子星の降着源を区別し、極端な降着状態における質量供給、噴流、フィードバック機構を制約するために、広帯域X線分光法と高時間分解能機器が不可欠であると提言している。

ABSTRACT

With the recent discoveries of massive and highly luminous quasars at high redshifts ($z\sim7$; e.g. Mortlock et al. 2011), the question of how black holes (BHs) grow in the early Universe has been cast in a new light. In order to grow BHs with $M_{ m BH} > 10^9$ M$_{\odot}$ by less than a billion years after the Big Bang, mass accretion onto the low-mass seed BHs needs to have been very rapid (Volonteri & Rees, 2005). Indeed, for any stellar remnant seed, the rate required would need to exceed the Eddington limit. This is the point at which the outward force produced by radiation pressure is equal to the gravitational attraction experienced by the in-falling matter. In principle, this implies that there is a maximum luminosity an object of mass $M$ can emit; assuming spherical accretion and that the opacity is dominated by Thompson scattering, this Eddington luminosity is $L_{ m{E}} = 1.38 imes 10^{38} (M/M_{\odot})$ erg s$^{-1}$. In reality, it is known that this limit can be violated, due to non-spherical geometry or various kinds of instabilities. Nevertheless, the Eddington limit remains an important reference point, and many of the details of how accretion proceeds above this limit remain unclear. Understanding how this so-called super-Eddington accretion occurs is of clear cosmological importance, since it potentially governs the growth of the first supermassive black holes (SMBHs) and the impact this growth would have had on their host galaxies (`feedback') and the epoch of reionization, as well as improving our understanding of accretion physics more generally.

研究の動機と目的

• ビッグバン後約10億年以内に10^9 M⊙を超える質量を有する特大質量ブラックホール（SMBH）がどのように成長したかを理解すること。これはEddington限界を超える降着率を必要とする。
• 高赤方偏移クェーサーにおける理論的限界と観測された明るさの不一致を解消するため、超Eddington降着が必須のメカニズムであるとすること。
• ULX、TDE、AGNの観測を統合することで、特に噴流、スペクトル特徴、降着源の性質に注目し、極端な状態における降着物理学の理解を深めること。
• 現在のX線施設が超Eddington源におけるパルス信号、サイクロトロン線、相対論的噴流の検出を制限する技術的ギャップを特定すること。
• 星質量系における超Eddington降着（ULX）と初期宇宙におけるSMBHの成長を結びつける整合的な枠組みを確立すること。

提案手法

• 広帯域X線分光法（100 keVまで延長）を用いて、AGNおよびTDEにおける降着円盤からの反射特徴を分離し、測定すること。
• マイクロ秒分解能の高時間分解X線計測を用いて、ULXにおけるパルスを検出し、中性子星降着源の同定を可能にすること。
• 0.3–30 keV範囲で650 FWHM以上の中分解能スペクトルを用いて、超速い噴流に由来するブルーシフト吸収ラインおよびプロトンサイクロトロン共鳴特徴を検出すること。
• ULX、TDE、AGNの多波長データを統合し、異なるコンパクト天体の質量における降着流構造、風の性質、明るさの時間的変化を比較すること。
• 数値シミュレーション（例：Sadowski & Narayan 2016）を用いて、超Eddington降着流をモデル化し、放射ビーミング、ディスク風の形状、スペクトル的特徴を予測すること。
• X線変動性および吸収特徴からの噴流駆動による質量損失推定値と観測明るさを比較することで、質量降着率および放射効率を制約すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブラックホールが、z ~ 7までにSMBHを成長させるために必要とされるように、持続的な超Eddington降着を経験している直接的証拠はあるか？
• RQ2 ULXの何パーセントが中性子星を降着源として持ち、それらの降着流はブラックホール降着源とどのように異なるか？
• RQ3 実際にコンパクト天体に降着する質量はどれほどで、強力な噴流が存在する中でどのようにして持続的な超Eddington降着が可能になるのか？
• RQ4 超Eddington降着源が風および放射によってどれほどフィードバックを引き起こし、銀河の進化や再イオン化に寄与しているのか？
• RQ5 ブラックホール系と中性子星系を区別する、超Eddington降着に特徴的なスペクトル的および時間的特徴は何か？

主な発見

• 10^39 erg s⁻¹を超える明るさを示すULXは、中間質量ブラックホールではなく、星質量コンパクト天体が超Eddington降着を経験しているものと考えられる。
• 複数のULXで、最大0.3cの超速い噴流が検出された。そのうちの1つは中性子星降着源として明確に同定されており、超Eddington降着の共通的特徴であることが示唆される。
• ULXのX線スペクトルは、Eddington限界未満のX線連星やAGNとは顕著に異なり、特に10 keV以上で顕著な違いを示しており、降着流の幾何構造と放射ビーミングの違いを示している。
• 進展は見られたが、依然として明確にブラックホール降着源と同定されたULXは存在せず、これらのシステムの性質を理解する上で大きなギャップが残っている。
• 現在の機器（例：NuSTAR）は、超Eddingtonスペクトル的および時間的特徴を完全に解明するのに十分な感度と帯域幅を欠いており、次世代X線望遠鏡の導入が不可欠である。
• 理論的シミュレーションでは、超Eddington降着流が大規模な高さを有し、強力なディスク風を発生させ、放射を極に向かって集中させることを示しており、観測されたビーミングとスペクトルのソフトニングを説明できる。