[論文レビュー] How the super-Eddington regime regulates black hole growth in high-redshift galaxies

Warren Massonneau, Marta Volonteri+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、高赤方偏移銀河におけるブラックホール（BH）成長を支配する、超Eddington降着および関連するジェットフィードバックのメカニズムを、高解像度の流体ダイナミクスシミュレーションを用いて調査した。その結果、強力なジェットを伴う超Eddingtonフィードバックは、ガスを強力なジェットで吹き飛ばすことで、BH成長を急速に自己調整することが判明した。一方、弱いジェットフィードバックでは、超Eddington状態がより頻発し、結果としてEddington限界に制限された降着と比較して、80 Myr間で最大15%多くBH質量が増加する。

ABSTRACT

Super-Eddington accretion is one scenario that may explain the rapid assembly of $\sim 10^9 m\, M_\odot$ supermassive black holes (BHs) within the first billion year of the Universe. This critical regime is associated with radiatively inefficient accretion and accompanied by powerful outflows in the form of winds and jets. By means of hydrodynamical simulations of BH evolution in an isolated galaxy and its host halo with 12 pc resolution, we investigate how super-Eddington feedback affects the mass growth of the BH. It is shown that super-Eddington feedback efficiently prevents BH growth within a few Myr. The super-Eddington accretion events remain relatively mild with typical rates of about 2-3 times the Eddington limit, because of the efficient regulation by jets in that regime. We find that these jets are powerful enough to eject gas from the centre of the host galaxy all the way up to galactic scales at a few kpc, but do not significantly impact gas inflows at those large scales. By varying the jet feedback efficiency, we find that weaker super-Eddington jets allow for more significant BH growth through more frequent episodes of super-Eddington accretion. We conclude that effective super-Eddington growth is possible, as we find that simulations with weak jet feedback efficiencies provide a slightly larger BH mass evolution over long periods of time ($\sim 80\, m Myr$) than that for a BH accreting at the Eddington limit.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移銀河における超Eddington降着およびフィードバックがブラックホール成長にどのように寄与するかを理解すること。
• ジェットフィードバックが超Eddington降着エピソードの持続時間と頻度をどのように制御するかを評価すること。
• 強いフィードバックにもかかわらず、超Eddington降着が顕著なBH質量増加をもたらす可能性があるかどうかを特定すること。
• 超Eddingtonフィードバックが10 pcから数kpcのスケールにおけるガスの流入・流出に与える影響を検討すること。

提案手法

• 中心に10^6 M⊙のブラックホールを有する孤立した高赤方偏移銀河を、12 pc解像度の流体ダイナミクスシミュレーションで再現した。
• RAMSESコードを改変し、Eddington限界の上限を解除するとともに、力学的（ジェット）および熱的フィードバックを実装した。
• 異なるフィードバック状態をシミュレーション：ジェットを伴う超Eddington状態（'sEdd'）、熱的フィードバックのみの超Eddington状態（'sEddThm'）、Eddington限界降着状態。
• ジェットフィードバック効率を変化させ、BH成長およびガスダイナミクスに与える影響を調査した。
• 10 pcからkpcスケールの範囲で、BH質量の変化、ガス密度、温度、流出特性を追跡した。
• シミュレーション出力の可視化および解析にはytを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強いフィードバックにもかかわらず、超Eddington降着は高赤方偏移銀河で顕著なブラックホール質量増加をもたらすことができるか？
• RQ2 ジェットフィードバックと熱的フィードバックは、超Eddington降着エピソードの持続時間と頻度をどのように比較して制御するか？
• RQ3 超Eddingtonジェットは、銀河スケール（kpc）でのガス流入にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 BHスピンやMAD状態に依存するジェットフィードバック効率は、BH成長にどのように影響するか？
• RQ5 超Eddingtonフィードバックのネット効果は、ブラックホール成長の自己調整にどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• 強力なジェットを伴う超Eddingtonフィードバックは数百万年以内に自己調整を示し、ジェットが強い場合にはBHは超Eddington状態に1%未満の時間しかいない。
• 最も激しい超Eddingtonイベントでは、Eddington限界の2〜3倍に達し、その後急激にEddington未満状態に低下する。
• 弱いジェットフィードバックでは、超Eddington状態がより頻発し、ジェットなしのシミュレーションでは最大70%の時間、この状態に滞在する。
• 強力なジェットは、銀河中心部から数kpcにわたってガスを吹き飛ばし、BH周囲のガス密度を数個のオーダー低下させる。一方、弱い熱的フィードバックは局所的な高温バブルしか形成しない。
• kpcスケールでは、銀河ディスクとジェット軸が直交している場合、ジェットはガス流入を顕著に破壊せず、約10^3 km/sの持続的流出を可能にする。
• 最も弱いジェットフィードバックでも、80 Myr間でEddington限界降着よりもBH質量増加がわずかに15%多いことから、極端な超Eddington成長の可能性は限定的であると示された。