[論文レビュー] Formation of Supermassive Black Holes: Simulations in General Relativity

Stuart L. Shapiro|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2003

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、一般相対性理論的シミュレーションを用いて、相対論的星集団の崩壊、高密度星系の重力熱的収縮、自己相互作用的ダークマター（SIDM）ハローの3つの物理的状態において、特大質量ブラックホール（SMBH）の種の形成を調査している。その結果、質量が ≥10⁶ M⊙ の大きなSIDMハローは直接SMBHを形成可能であるのに対し、z≈5で形成される小さなハローは10²–10³ M⊙ の種ブラックホールを生成し、星形成を経ずにSMBHの起源を説明するバリオンフリーな経路を提供する。

ABSTRACT

There is compelling evidence that supermassive black holes exist. Yet the origin of these objects, or their seeds, is still unknown. We discuss several plausible scenarios for forming the seeds of supermassive black holes. These include the catastrophic collapse of supermassive stars, the collapse of relativistic clusters of collisionless particles or stars, the gravothermal evolution of dense clusters of ordinary stars or stellar-mass compact objects, and the gravothermal evolution of self-interacting dark matter halos. Einstein's equations of general relativity are required to describe key facets of these scenarios, and large-scale numerical simulations are performed to solve them.

研究の動機と目的

• 初期宇宙における特大質量ブラックホール（SMBH）種の形成に妥当な物理的メカニズムを特定すること。
• SMBHが初期に存在するコンパクトで相対論的系から直接形成されるのか、それとも降着や合体によって小さな種から成長するのかを特定すること。
• 一般相対性理論が、衝突なし粒子、星、自己相互作用的ダークマターを含む多様な系における重力的崩壊をどのように駆動するかを評価すること。
• 星形成や事前のブラックホール種に依存しないバリオンフリーな形成経路（例：SIDMハロー）の妥当性を評価すること。

提案手法

• Vlasov（衝突なし）、Fokker-Planck（徐々に衝突する）、流体（衝突が支配的）の各物理的状態における位相空間の進化を統一的に記述するため、ボルツマン方程式を用いる。
• 球対称および軸対称系における重力的崩壊を解くために、一般相対性理論におけるアインシュタイン方程式を大規模に数値的に解く。
• 衝突なし系には粒子-セル法（PIC）を、曲がった時空における場の運動方程式には有限差分法を適用する。
• 星またはコンパクト物体の高密度集団における重力熱的進化をモデル化し、コア収縮と最終的なブラックホールへの崩壊を追跡する。
• 特大質量星（SMS）やコンパクト物体、または衝突なし粒子の相対論的集団における流体力学的崩壊をシミュレートする。
• 自己相互作用的ダークマター（SIDM）ハローを調査し、その重力熱的収縮が相対論的コアを形成し、最終的にSMBHに崩壊することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクトな星集団や衝突なし粒子の相対論的集団が、一般相対性理論において動的崩壊を経てSMBH種を形成できるか？
• RQ2 通常の星やコンパクト物体の高密度集団、あるいはSIDMハローにおける重力熱的収縮が、バリオン物質を含まずにブラックホール形成に至る程度はどの程度か？
• RQ3 SIDMハローの崩壊によって形成される種ブラックホールの質量範囲は何か？ また、宇宙論的時間スケール内で観測されたSMBH質量に成長できるか？
• RQ4 Vlasov、Fokker-Planck、流体の異なる物理的状態がSMBH種形成にどのように寄与するか？ それぞれに必要な数値的手法は何か？
• RQ5 一部のSMBHが急速に回転しているという観測結果は、複数回の合体を伴う形成シナリオと整合するか？ それとも単一形成経路を支持するか？

主な発見

• コンパクトな星集団や衝突なし粒子の相対論的集団は、初期質量が全ハロー質量の10⁻⁸～10⁻⁶の範囲で動的崩壊を経てブラックホールを形成可能である。
• 通常の星やコンパクト物体の高密度集団における重力熱的収縮は、繰り返しの衝突と合体を経てコア収縮とブラックホール形成を引き起こす。
• 質量が ≥10¹² M⊙ の自己相互作用的ダークマター（SIDM）ハローは、コア収縮が相対論的状態に達することで、直接的に質量が ≥10⁶ M⊙ のSMBHを形成可能である。
• z≈5で形成される小さなSIDMハローは、10²–10³ M⊙ の種ブラックホールを生成し、降着や合体によって観測されたSMBH質量に成長可能である。
• SIDMシナリオは、星形成や外部の種メカニズムに依存しないバリオンフリーなSMBH形成経路を提供する。
• シミュレーションは、一般相対性理論がコンパクトな自己重力系に半径方向不安定性を引き起こし、複数の物理的状態においてブラックホールへの崩壊を誘発することを示している。