[論文レビュー] Cosmological simulations of quasar fueling to sub-parsec scales using Lagrangian hyper-refinement

Daniel Anglés‐Alcázar, Eliot Quataert+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 377被引用数 102

ひとこと要約

本研究は、ラグランジュ的ハイパーグリッド refinement を用いて、クェเซア質量のブラックホール周辺で 0.1 pc 未塔のスケールでのガス流入を解像する、最初の宇宙論的流体力学的シミュレーションを提示する。z ≈ 2 における流入率は約 6 M⊙ yr⁻¹ に達し、これは多スケールの星間非軸対称性に起因する重力的トルクによって駆動される。また、高温のキャビティ形成に起因する変動する稼働周期を示し、降着ガスが軸対称でない回転支持型の遮蔽構造を形成することを明らかにする。

ABSTRACT

We present cosmological hydrodynamic simulations of a quasar-mass halo ($M_{ m halo} \approx 10^{12.5}\,{ m M}_{\odot}$ at z=2) that for the first time resolve gas transport down to the inner 0.1 pc surrounding the central massive black hole. We model a multi-phase interstellar medium including stellar feedback by supernovae, stellar winds, and radiation, and a hyper-Lagrangian refinement technique increasing the resolution dynamically approaching the black hole. We do not include black hole feedback. We show that the sub-pc inflow rate (1) can reach ~6 M$_{\odot}$yr$^{-1}$ roughly in steady state during the epoch of peak nuclear gas density (z~2), sufficient to power a luminous quasar, (2) is highly time variable in the pre-quasar phase, spanning 0.001-10 M$_{\odot}$yr$^{-1}$ on Myr timescales, and (3) is limited to short (~2 Myr) active phases (0.01-0.1 M$_{\odot}$yr$^{-1}$) followed by longer periods of inactivity at lower nuclear gas density and late times (z~1), owing to the formation of a hot central cavity. Inflowing gas is primarily cool, rotational support dominates over turbulence and thermal pressure, and star formation can consume as much gas as provided by inflows across 1 pc - 10 kpc. Gravitational torques from multi-scale stellar non-axisymmetries dominate angular momentum transport over gas self-torquing and pressure gradients, with accretion weakly dependent on black hole mass. Sub-pc inflow rates correlate with nuclear (but decouple from global) star formation and can exceed the Eddington rate by x10. The black hole can move ~10 pc from the galaxy center on ~0.1 Myr. Accreting gas forms pc-scale, rotationally supported, obscuring structures often misaligned with the galaxy-scale disk. These simulations open a new avenue to investigate black hole-galaxy co-evolution.

研究の動機と目的

• 宇宙論的文脈において、クェーサー質量のブラックホール周辺で 0.1 pc 未塔のスケールでのガス流入をシミュレートすること。
• ブラックホールフィードバックを含まない条件下で、kpc から 0.1 pc スケールへのガス輸送を駆動する物理的メカニズムを調査すること。
• 星間物質の多相性、星のフィードバック、重力的トルクがブラックホールの燃料供給をどのように制御するかを評価すること。
• 数値的解像度および重力ソフトニング法の変更に対する結果の頑健性をテストすること。
• 短い時スケールでの遮蔽構造の形成およびブラックホールの運動を探索すること。

提案手法

• ブラックホールに向かって動的に解像度を向上させるラグランジュ的ハイパーグリッドを用いた宇宙論的流体力学的シミュレーションを実施。
• FIRE-2 フレームワークを用いて、超新星、風、放射による星のフィードバックを含む多相性の星間物質をモデル化。
• 適応的重力ソフトニングと星の分割を用いて、力の解像度と数値収束性を向上。
• 1 pc から 10 kpc のスケールにわたり、ガス流入率、角運動量輸送、星形成を追跡。
• 解像度の向上に伴い、小スケールのガス粒子捕獲に切り替わるハイブリッド降着モデルを採用。
• 複数の解像度レベルおよび数値実装を用いた収束性テストを実施し、結果の妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ≈ 2 におけるクェーサー質量ブラックホールの内側 0.1 pc における時間平均および時間変動するガス流入率は何か？
• RQ2 銀河の最も内側領域における角運動量輸送を支配する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 高温の中心キャビティの形成がブラックホール降着の稼働周期にどのように影響するか？
• RQ4 0.1 pc スケール領域に遮蔽構造がどれほど形成されるか、またそれらは銀河スケールのディスクと一致するか？
• RQ5 流入率およびブラックホール成長は、数値的解像度および重力ソフトニングにどれほど敏感か？

主な発見

• z ≈ 2 の核部ガス密度がピークに達する安定状態では、0.1 pc 未塔のガス流入率が約 6 M⊙ yr⁻¹ に達し、明るいクェーサーを駆動するのに十分である。
• クェーサー前の段階では流入率が非常に変動的であり、1 Myr スケールで 0.001–10 M⊙ yr⁻¹ の範囲をとる。
• 降着は短い活性期（約 2 Myr）に限定され、0.01–0.1 M⊙ yr⁻¹ の流入率を示すが、その後は高温で低密度の中心キャビティの形成により不活性化する。
• 多スケールの星間非軸対称性に起因する重力的トルクが角運動量輸送を支配し、降着はブラックホール質量にほとんど依存しない。
• 流入率は Eddington 率を最大で 10 倍まで上回り得る。また、ブラックホールは約 0.1 Myr のスケールで銀河中心から最大 10 pc 移動する可能性がある。
• 降着ガスは、しばしば銀河スケールディスクと軸対称でない、回転支持型の pc スケールの遮蔽構造を形成する。