[論文レビュー] Direct formation of massive black holes via dynamical collapse in metal-enriched merging galaxies at $z \sim 10$: fully cosmological simulations

Lucio Mayer, Pedro R. Capelo+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2023

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、z ~ 10における質量的で金属が豊富な銀河の主要合体が、動的に加熱されたジェイムズ不安定およびバー不安定な核の超大質量ディスク（SMD）を経て、直接的に超大質量ブラックホール（SMBH）の崩壊を引き起こす可能性を示す、最初の完全な宇宙論的シミュレーションを提示する。SMDは、4 pcの半径で約3×10⁸ M☉のガスを有し、100万年未満で形成され、一般相対性理論的に不安定になり、SMBH（10⁶–10⁸ M☉）を形成する。種の形成段階を回避し、微調整を必要とせず、高赤方偏移のクェーサーの急速な出現を自然に説明する。

ABSTRACT

We present the results of the first fully cosmological hydrodynamical simulations studying the merger-driven model for massive black hole (BH) seed formation via direct collapse. Using the zoom-in technique as well as particle splitting, we achieve a final spatial resolution of $2$ pc. We show that the major merger of two massive galaxies at redshift $z \sim 8$ results in the formation of a nuclear supermassive disk (SMD) of only $4$ pc in radius, owing to a prodigious gas inflow sustained at $100$-$1000$ $M_{\odot}$ yr$^{-1}$. The core of the merger remnant is metal-rich, well above solar abundance, and the SMD reaches a gaseous mass of $3 imes 10^8$ $M_{\odot}$ in less than a million years after the merger, despite a concurrent prominent nuclear starburst. Dynamical heating as gas falls into the deepest part of the potential well, and heating and stirring by supernova blastwaves, generate a turbulent multi-phase interstellar medium, with a gas velocity dispersion exceeding 100 km s$^{-1}$. As a result, only moderate fragmentation occurs in the inner $10$-$20$ pc despite the temperature falls below $1000$ K. The SMD is Jeans-unstable as well as bar-unstable and will collapse further adiabatically, becoming warm and ionized. We show that the SMD, following inevitable contraction, will become general relativistic unstable and directly form a supermassive BH of mass in the range $10^6$-$10^8$ $M_{\odot}$, essentially skipping the stage of BH seed formation. These results confirm that mergers between the most massive galaxies at $z \sim 8$-$10$ can naturally explain the rapid emergence of bright high-redshift quasars.

研究の動機と目的

• 金属が豊富な合体銀河がz ~ 10で直接的に超大質量ブラックホール（SMBH）を形成できるかどうかを調査すること。
• 核の超大質量ディスク（SMD）が、金属が豊富でないガスを必要とせずに、形成され、十分に安定して一般相対性理論的不安定を引き起こせるかどうかを特定すること。
• 動的加熱、超新星駆動のフィードバック、UV光電離が、破片化を抑制し、直接的崩壊を可能にする役割を評価すること。
• このメカニズムが、微調整を必要とせず、z > 7における観測された高赤方偏移クェーサーの豊度と性質を自然に説明できるかどうかを評価すること。
• 高空間解像度および高質量解像度を備えた現実的な宇宙論的環境における、直接的崩壊経路の頑健性を検証すること。

提案手法

• 最終空間解像度が2 pcに達するよう、ズームイン技術と粒子分割を用いた完全な宇宙論的流体力学的シミュレーションを採用した。
• z ~ 8–10における2つの巨大で金属が豊富なディスク銀河の合体をシミュレートし、ガスの流入、星形成、ブラックホール種の形成経路を追跡した。
• 星間媒体（ISM）のエネルギー収支をモデル化するため、微細構造線（CII, OIII）と同時に発生する核の星形成爆発からの光電離加熱を含む放射冷却モデルを用いた。
• 中心部のSMDの進化を追跡し、その質量、半径、速度分散、およびジェイムズ不安定性とバー不安定性に対する安定性を測定した。
• SMDのコンactnessと質量が一般相対性理論的不安定性を引き起こす条件を満たすかどうかを評価するため、コンパクトネスパラメータが臨界閾値を超えるかどうかの基準を用いた。
• 衝撃加熱、超新星の爆風、UV放射の影響がガスの温度、イオン化状態、破片化抑制に与える影響を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属が豊富な合体銀河がz ~ 10で金属が欠如したガスを必要とせずに、直接的に超大質量ブラックホールの崩壊が起こり得るか？
• RQ2 ガスの流入と超新星フィードバックによる動的加熱が、核のディスク内の破片化を抑制する役割を果たすか？
• RQ3 同時に発生する星形成爆発からのUV光電離が、核のISMの熱的およびイオン化状態に及ぼす影響と、その崩壊可能性に与える影響は何か？
• RQ4 核の超大質量ディスク（SMD）は、十分に速やかに形成され、かつ十分に質量的でコンパクトであるため、一般相対性理論的不安定性を引き起こせるか？
• RQ5 この合体駆動型メカニズムは、微調整を必要とせず、観測された高赤方偏移クェーサーの性質（質量、赤方偏移、宿主の金属量）を自然に再現できるか？

主な発見

• 合体後100万年未満で、4 pcの半径に閉じ込められた3×10⁸ M☉の核の超大質量ディスク（SMD）が形成された。
• 200–600 M☉ yr⁻¹の核の星形成爆発が伴うにもかかわらず、SMDは密度が高く、高温であり、動的加熱によりガスの速度分散が100 km s⁻¹を超えた。
• SMDはジェイムズ不安定およびバー不安定であり、急速な収縮と断熱加熱を経て、温かくイオン化された状態になった。
• SMDは一般相対性理論的不安定性を引き起こすのに十分なコンパクトネスに達し、直接的に10⁶–10⁸ M☉の超大質量ブラックホールへと崩壊した。
• 星形成爆発からの光電離加熱により、ISMの温度とイオン化度が上昇し、破片化が抑制され、SMD形成に必要なガス質量が維持された。
• このメカニズムは金属が豊富な環境で機能するため、金属が欠如した直接的崩壊シナリオよりも、観測された高赤方偏移クェーサーの宿主の性質とより自然に整合し、より頑健である。