[論文レビュー] FORGE'd in FIRE: Resolving the End of Star Formation and Structure of AGN Accretion Disks from Cosmological Initial Conditions

Philip F. Hopkins, Michael Y Grudić+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2023

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、FIREスケールの銀河物理学とSTARFORGEスケールの星形成・反動を自己整合的に結合した、最初の宇宙論的放射磁気流体力学シミュレーションを提示する。超大質量ブラックホール周辺で100 au未塔にまで解像度を高め、重力的トルクと強い磁場が、10–100 M⊙ yr⁻¹の持続的かつ高い降着率を、磁場圧力によって安定化された重力乱流的・フラックスフリーズ構造を通じて、ディスクに維持することを明らかにした。

ABSTRACT

It has recently become possible to zoom-in from cosmological to sub-pc scales in galaxy simulations to follow accretion onto supermassive black holes (SMBHs). However, at some point the approximations used on ISM scales (e.g. optically-thin cooling and stellar-population-integrated star formation [SF] and feedback [FB]) break down. We therefore present the first cosmological radiation-magnetohydrodynamic (RMHD) simulation which self-consistently combines the FIRE physics (relevant on galactic/ISM scales where SF/FB are ensemble-averaged) and STARFORGE physics (relevant on small scales where we track individual (proto)stellar formation and evolution), together with explicit RMHD (including non-ideal MHD and multi-band M1-RHD) which self-consistently treats both optically-thick and thin regimes. This allows us to span scales from ~100 Mpc down to <100 au (~300 Schwarzschild radii) around a SMBH at a time where it accretes as a bright quasar, in a single simulation. We show that accretion rates up to $\sim 10-100\,{ m M_{\odot}\,yr^{-1}}$ can be sustained into the accretion disk at $\ll 10^{3}\,R_{ m schw}$, with gravitational torques between stars and gas dominating on sub-kpc scales until star formation is shut down on sub-pc scales by a combination of optical depth to cooling and strong magnetic fields. There is an intermediate-scale, flux-frozen disk which is gravitoturbulent and stabilized by magnetic pressure sustaining strong turbulence and inflow with persistent spiral modes. In this paper we focus on how gas gets into the small-scale disk, and how star formation is efficiently suppressed.

研究の動機と目的

• 銀河シミュレーションにおける宇宙論的スケールからサブパーセクスケールへの遷移を解像化し、標準的なISMスケールの近似が破綻する領域を対象とする。
• クェーサー期にわたり、超大質量ブラックホールへの持続的高降着率を可能にする物理的メカニズムを調査する。
• 活発な銀河核周辺の極端な環境が、星形成をどのように抑制するかを理解すること。
• 今後の高解像度降着ディスクシミュレーションのための自己整合的な初期および境界条件を提供すること。

提案手法

• 適応メッシュ細分化を用いて、約100 Mpcから超大質量ブラックホール周辺で100 au未塔までをカバーするズームイン宇宙論的シミュレーション。
• 星形成および反動を、銀河/ISMスケールのFIRE物理学と、星・サブパーセクスケールのSTARFORGE物理学を自己的に結合して扱う。
• 非理想磁気流体力学（NIMHD）を組み込み、アンビパラドックス拡散、オーム抵抗、異方的熱伝導を含め、光学的厚さの高い・薄い領域をモデル化する。
• 詳細な熱化学、ダスト吸収率、宇宙線輸送を備えたマルチバンドM1放射流体力学ソルバを用いる。
• 降着を300シュバルツシルト半径まで追跡可能な、ライブな超大質量ブラックホールシンク粒子を実装する。
• ガスおよび星形成構造を1 M⊙未塔まで解像度を高めるための適応的細分化を実施し、重力および流体力学ソルバを一貫して適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クェーサーを伴う銀河の中心部に近づくに従い、ガスの輸送および降着はどのように進行するのか？
• RQ2 超大質量ブラックホール周辺のサブパーセク環境で星形成が抑制される物理的メカニズムは何か？
• RQ3 磁場と重力的トルクは、サブパーセクスケールにおける降着ディスクの構造と安定性をどのように形作るのか？
• RQ4 大規模銀河物理学と小規模星形成反動を両方とも解像度を高めて捉えた場合、自己整合的な降着率とディスク特性はどのようなものになるか？
• RQ5 放射、磁場、冷却吸収率が共同で、乱流的・星形成ガスから安定的・降着的ディスクへの遷移をどのように制御するのか？

主な発見

• 10³シュバルツシルト半径未塔の距離で、極めて厳しい環境下にもかかわらず、10–100 M⊙ yr⁻¹の降着率が持続的に維持されている。
• 冷却に対する高い光学的厚さと、強いトロイダル磁場が、磁場臨界質量をディスク質量以上に押し上げることで、サブパーセクスケール内での星形成がほとんど完全に抑制されている。
• 中間スケールで重力乱流的・フラックスフリーズディスクが形成され、磁場圧力によって安定化され、持続的なスパイラルモードとガスの内向き流入を維持している。
• 星とガスの間の重力的トルクが、星形成の停止以前に、サブkpcスケールで角運動量輸送の主因となっている。
• ディスク構造は磁場圧力によって安定化されており、非理想MHD効果が小スケールでの乱流およびガス流入を維持する上で重要な役割を果たしている。
• 本シミュレーションは、今後の降着ディスクシミュレーションの予測可能な内境界条件を提供し、強磁場的・乱流的降着ディスクのこれまでにない領域を明らかにした。