[論文レビュー] Forced accretion in stochastically fed AGN and quasars

Sergei Nayakshin, A. R. King|arXiv (Cornell University)|May 11, 2007

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、AGN やクェーサーにおける超大質量ブラックホール（SMBH）が、ランダムな向きを持つ低角運動量のガス雲の確率的降着によって駆動され、歪んだ降着円盤が重力不安定性を回避し、急速で強制的な降着を可能にすると提案する。このモデルは、コンプトン厚い遮蔽、銀河のバーとの相関なし、効率的なフィードバックといったAGNの主要な性質を説明し、『最終パーセク問題』とSMBH-銀河質量関係を解消する。

ABSTRACT

Steady state accretion discs larger than ~ 0.01-0.1 pc are known to be gravitationally unstable for the accretion rates needed to explain super-massive black hole (SMBH) activity. We propose that SMBH are fed by a succession of mass deposition events with randomly directed angular momenta. Because of incomplete angular momentum cancellation a warped accretion disc forms in the inner few parsec. The orientation of the disc performs a random walk. Deposition of new material promotes SMBH accretion at rates much faster than viscous. Observational implications of this picture include: (i) lighter accretion discs that can fuel AGN and quasars and yet avoid star formation at R >> 0.1 pc; (ii) star formation inside the disc is not a function of mass accretion rate only. It can take place at high or low accretion rates, e.g., when too few clouds arrive in the inner region. An example of this might be the central parsec of our Galaxy. (iii) The discs can form Compton-thick obscuring structures of ~ parsec size as required in AGN unification models; (iv) faster black hole growth resulting from misalignment of the disc and the black hole spin in the early Universe; (v) Isotropic deposition of SMBH energy and momentum feedback in the galaxy bulge. This may help explain the high efficiency with which it seems to be operating in the Universe. (vi) No correlation between SMBH activity and the presence of kiloparsec scale bars or gaseous discs in galactic bulges; (vii) Bodily collisions between gaseous components of merging galaxies facilitate production of gas streams feeding the centre of the combined galaxy. Mergers should thus be catalysts of SMBH growth. (viii) Conversely, galaxies experiencing fewer mergers are more likely to form massive nuclear star clusters than feed their SMBHs.

研究の動機と目的

• AGN やクェーサーにおける超大質量ブラックホール（SMBH）の給餌が、銀河バルジに大きな角運動量を持つにもかかわらず理論的に成立するかを解決すること。
• 0.01–0.1 pc 以上の領域で重力的破壊や星形成を引き起こす可能性がある、高品質で冷たい降着円盤の不安定性に対処すること。
• 高い降着率があるにもかかわらず、AGNに大規模なガスディスクが観測されない理由を説明すること。
• 大規模なディスクや強い銀河構造に依存せず、効率的なSMBH成長と等方的フィードバックを実現するメカニズムを提供すること。
• 低質量銀河における核境界星集団とSMBHの観測的二重性を説明すること。

提案手法

• ランダムな角運動量方向を持つガスクラウドの確率的降着によるSMBH降着のモデル化。これにより、完全なキャンセルが起こらず、ネットで角運動量が移動する。
• 重力不安定性の閾値として、$ R_{\rm sg} \rightarrow 0.01-0.1 $ pc を用い、$ R_{\rm sg} \rightarrow 0.01\text{pc} \times \tilde{M}^{-2/7} $ から導出される。この領域では円盤が破壊する。
• 歪んだ降着円盤が、角運動量の方向がずれたことによるものであり、粘性時標高よりも長く持続することを示す。
• 円盤安定性の条件を適用：$ M_{\rm disc} < 0.002 M_{\rm bh} $。これにより、$ R_{\rm sg} $ よりも外側で重力的安定性が保証される。
• コンプトン厚い遮蔽の可能性を評価するための密度推定：$ \tilde{\rho} \rightarrow 20 M_8^{5/7} R_{\rm pc}^{-13/7} t_5^{-1/7} $。
• 合体誘発ガス流れが、特にメジャーマージャー時に降着率を高めることを示し、SMBH成長と『最終パーセク問題』の解決に寄与する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.01–0.1 pc 以上の領域で重力不安定になる大規模で安定な降着ディスクが存在しない状況でも、SMBHは効率的に給餌されるのか？
• RQ2 高い質量と低い温度を持つ可能性のある円盤が、内側パーセクで星形成を引き起こさないまま、高い降着率を維持できるか？
• RQ3 AGN統合モデルにおける、約パーセクサイズのコンプトン厚い遮蔽構造の形成を説明するメカニズムは何か？
• RQ4 AGN活動とキロパーセクスケールのバーまたはガスディスクの間には観測的に相関がないが、その理由は何か？
• RQ5 確率的クラウド降着と角運動量キャンセリングは、SMBH成長および核境界星集団形成にどのように影響を与えるか？

主な発見

• ランダムな角運動量方向を持つ確率的クラウド降着は、完全なキャンセルが不完全であるため、粘性時標高を超える速さで強制的降着を可能にする。
• 歪んだ降着円盤は、$ R_{\rm sg} \rightarrow 0.01-0.1 $ pc よりもはるかに大きな約10 pcまで延びる可能性があり、重力不安定性を回避する。
• 質量 $ M_{\rm disc} < 0.002 M_{\rm bh} $ の円盤は重力的安定性を保ち、内側領域での破壊や星形成を防ぐ。
• 密度推定から、このような歪んだ円盤は、AGN統合モデルに一致する約パーセクサイズのコンプトン厚い吸収体を形成できることが示唆される。
• 低輝度AGN（LLAGN）は、より明るいセイファート銀河よりも遮蔽が薄いと予測される。これは、円盤が早く平坦化または破壊するため、厚い遮蔽構造を形成できないためである。
• 大きな銀河合体は、物体同士の衝突によるガス流れを促進し、SMBH成長を高め、ガス駆動による二重星縮小によって『最終パーセク問題』の解決に寄与する可能性がある。