[論文レビュー] Formation of Nuclear Disks and Supermassive Black Hole Binaries in Multi-Scale Hydrodynamical Galaxy Mergers

Lucio Mayer, Stelios Kazantzidis+1 more|ArXiv.org|Jul 22, 2008

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、多スケール流体力学的シミュレーションを用いて、合体する銀河における潮汐力モーメントが、100万年未満で超大質量黒 holes (SMBH) 二重星の形成を可能にする密度の高い核ディスクを形成するガスの急速な内向き流入を引き起こすことを示した。シミュレーションの結果、強い放射フィードバックは二重星の形成を抑制するが、高解像度モデル（0.1 pc）では、スパイラル腕による角運動量輸送が中心部に約10⁸ M☉のクラスターを形成し、SMBHが約1 pcの距離で動的摩擦が低下することで停止することを示した。

ABSTRACT

(Abridged) We review the results of the first multi-scale, hydrodynamical simulations of mergers between galaxies with central supermassive black holes (SMBHs) to investigate the formation of SMBH binaries in galactic nuclei. We demonstrate that strong gas inflows produce nuclear disks at the centers of merger remnants whose properties depend sensitively on the details of gas thermodynamics. In numerical simulations with parsec-scale spatial resolution in the gas component and an effective equation of state appropriate for a starburst galaxy, we show that a SMBH binary forms very rapidly, less than a million years after the merger of the two galaxies. Binary formation is significantly suppressed in the presence of a strong heating source such as radiative feedback by the accreting SMBHs. We also present preliminary results of numerical simulations with ultra-high spatial resolution of 0.1 pc in the gas component. These simulations resolve the internal structure of the resulting nuclear disk down to parsec scales and demonstrate the formation of a central massive object (~ 10^8 Mo) by efficient angular momentum transport. This is the first time that a radial gas inflow is shown to extend to parsec scales as a result of the dynamics and hydrodynamics involved in a galaxy merger, and has important implications for the fueling of SMBHs. Due to the rapid formation of the central clump, the density of the nuclear disk decreases significantly in its outer region, reducing dramatically the effect of dynamical friction and leading to the stalling of the two SMBHs at a separation of ~1 pc. We discuss how the orbital decay of the black holes might continue in a more realistic model which incorporates star formation and the multi-phase nature of the ISM.

研究の動機と目的

• 多スケール流体力学的シミュレーションを用いて、銀河合体における超大質量黒 holes (SMBH) 二重星の形成を調査すること。
• ガスの内向き流入および核ディスク構造がSMBH軌道の減衰と二重星形成に与える影響を特定すること。
• 放射フィードバックおよび星形成が動的摩擦の効率と二重星の硬化に与える影響を評価すること。
• 高解像度のガス力学が角運動量輸送および中心部の質量集中を可能にする役割を調査すること。
• 動的摩擦が低下することでSMBH二重星がパーセクスケールの距離で停止する条件を理解すること。

提案手法

• 数百キロパーセクからサブパーセクスケール（0.1 pc解像度）までをカバーする動的範囲を持つN体＋滑らかに粒子化された流体力学（SPH）シミュレーションを実施した。
• 星形成爆発銀河に適した有効な状態方程式を用いた多相性の星間物質（ISM）モデルを採用し、冷却および加熱プロセスを組み込んだ。
• 核ディスク内のガス消費をモデル化するため、25 pcにおけるT_orb ≈ 10⁶ yrの条件下で、星形成率を0.3 × M_gas / T_orbとして設定した。
• SMBHの降着に伴う放射フィードバックを適用し、ガスの内向き流入および二重星形成への抑制効果を評価した。
• 銀河の合体をシミュレートする際、初期条件として天の川銀河（M_vir = 10¹² M☉、c = 12、λ = 0.031）を基準とし、星形成ディスク、バルジ、NFWのダークマターハローを含めた。
• 核ディスクの内部構造を解像し、スパイラル腕による角運動量輸送を追跡するために、高解像度シミュレーション（0.1 pc）を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 合体する銀河における潮汐力モーメントが、パーセクスケールで核ディスクを形成するガスの内向き流入をどのように引き起こすか？
• RQ2 ガス抵抗が合体残骸におけるSMBH二重星の急速な形成に果たす役割は何か？
• RQ3 SMBHの降着に伴う放射フィードバックがSMBH二重星の形成をどのように抑制するか？
• RQ4 核ディスク内での星形成がディスクの安定化とガスの内向き流入の減少に与える影響は、二重星の進化にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 なぜSMBH二重星は約1 pcの距離で停止するのか？また、多相性ISMおよび星形成を含むより現実的なモデルでは、この停止状態を克服できるか？

主な発見

• SMBH二重星は合体後100万年未満に、潮汐力モーメントによって形成された密度の高い核ディスクによる強いガス抵抗のおかげで形成された。
• SMBHの降着に伴う強い放射フィードバックは、ガスの内向き流入を著しく抑制し、二重星の形成を阻害することが分かった。
• 高解像度シミュレーション（0.1 pc）では、核ディスク内のスパイラル腕が効率的な角運動量輸送を可能にし、中心部に約10⁸ M☉のクラスターを形成することが明らかになった。
• 質量の大きな中心クラスターの形成により、外側ディスクのガス表面密度が低下し、動的摩擦が減少することでSMBHが約1 pcの距離で停止した。
• 内側数パーセクにおける星形成は、ガスの大部分を消費し、ディスクのトゥーモアQパラメータを上昇させ、安定化をもたらした。その結果、スパイラル構造が弱まり、ガスの内向き流入が減少した。
• 多相性ISMおよび星形成を含むより現実的なモデルでは、SMBHの軌道減衰が継続する可能性があり、1 pcを超えてさらなる硬化が可能になる可能性がある。