[論文レビュー] Origin of supermassive black holes

V. I. Dokuchaev, Yu N Eroshenko+1 more|ArXiv.org|Sep 1, 2007

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 25被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、超大質量ブラックホール（SBH）の形成に関する天体物理学的および宇宙論的シナリオをレビューし、銀河内での標準的な降着および合体プロセスが、特に z ≈ 6–7 で早期に出現するSBHを考慮すると、時間的および物質供給の制約に直面していると主張する。それに対して、初期のSBH形成を説明できるより普遍的な解決策として、原始的メカニズム（巨大原始雲の崩壊やドメイン壁からの形成など）の可能性を提起する。天体物理学的モデルが失敗する状況において、宇宙論的シナリオが早期のSBH形成を説明できる可能性を示唆する。

ABSTRACT

The origin of supermassive black holes in the galactic nuclei is quite uncertain in spite of extensive set of observational data. We review the known scenarios of galactic and cosmological formation of supermassive black holes. The common drawback of galactic scenarios is a lack of time and shortage of matter supply for building the supermassive black holes in all galaxies by means of accretion and merging. The cosmological scenarios are only fragmentarily developed but propose and pretend to an universal formation mechanism for supermassive black holes.

研究の動機と目的

• 観測された宇宙的スケール時間内に、超大質量ブラックホール（SBH）の形成を説明できる天体物理学的シナリオ（降着、合体）の妥当性を評価すること。
• 巨大原始雲の崩壊やドメイン壁からの形成といった、宇宙論的メカニズムが、初期のSBH形成の普遍的経路として機能しうるかを調査すること。
• z ≈ 6–7 で観測された質量 10^9–10^10 M☉ の巨大SBHと、星質量ブラックホールの進化による成長に十分な時間が与えられていないという矛盾を解消すること。
• 原始的ブラックホール形成シナリオが、観測された初期のSBHと銀河形成経路の制限との間の緊張を解消できるかを評価すること。
• SBHの普遍的かつ早期の存在を説明する上で、天体物理学的モデルと宇宙論的モデルの強み・弱みを比較すること。

提案手法

• 星質量ブラックホールの合体、超大質量星の崩壊、原始密度フラクチュエーションを含む、11の確立された天体物理学的および宇宙論的SBH形成メカニズムの体系的レビュー。
• Eddington限界降着時間スケールの式 t ≈ (4×10^7 / ln 2) × ln(M/M₀) 年 を適用し、初期質量 ~1 M☉ から 10^9–10^10 M☉ への最小成長時間を推定。
• 重力半径 r_g = 2GM/c² および内側安定円軌道 r_st = 3r_g が、SBH降着および観測的特徴に重要な物理的スケールであると分析。
• 原始銀河およびBHを含む銀河の衝突が、次々に巨大BHを有する銀河を生じる銀河合体ツリーと銀河形成のモデル化。
• 放射支配期における断熱的フラクチュエーションや、ハイブリッドインフレーションモデルにおける閉じたドメイン壁からの形成といった、原始的メカニズムの評価。
• 統計的議論を用いて、ブラックホールを有さない銀河の確率を推定：P ≈ 0.999^10^4 ≈ 4.5×10^−5 であり、わずかにBHを有する銀河が存在するだけでも、観測されたAGNの豊度を説明可能であると示唆。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星質量ブラックホールの降着および合体という標準的な天体物理学的プロセスは、高赤方偏移 z ≈ 6–7 で観測された超大質量ブラックホール（10^6–10^10 M☉）の形成を説明できるか？
• RQ2 初期質量 ~1 M☉ から 10^9–10^10 M☉ へのEddington限界降着によるSBH成長にかかる物理的および時間的制約は何か？
• RQ3 巨大原始雲の崩壊やドメイン壁からの形成といった宇宙論的シナリオが、銀河進化とは独立して、SBH形成の普遍的メカニズムを提供できる程度はどの程度か？
• RQ4 SBH質量と宿主銀河質量の観測的相関、およびクェーサーの早期出現が、妥当な形成モデルにどのような制約を課えるか？
• RQ5 巨大銀河に広く存在するSBHの普遍性は、初期にBHを有する原始銀河のわずかな割合が繰り返し合体を経て説明可能か？

主な発見

• Eddington限界降着時間スケールは、~1 M☉ から 10^9 M☉ へのブラックホール成長に約10億年を要すると示唆するが、これはビッグバン後8億年で観測されたz ≈ 6–7 のSBHの形成には不十分である。
• 星質量ブラックホールの種から始まる天体物理学的シナリオは、根本的な時間不足と物質供給の不十分さに直面し、最も初期の巨大SBHを説明することは極めて困難である。
• 宇宙論的シナリオ、例えば巨大原始雲の崩壊やハイブリッドインフレーションにおける閉じたドメイン壁からの形成は、銀河進化とは独立して、初期のSBH形成に有効な道筋を提供する。
• 初期質量 ~1 M☉ から 10^9–10^10 M☉ へのEddington限界降着時間スケールは、~10億年を要するが、ビッグバン後8億年で観測されたz ≈ 6–7 のSBHの形成には不十分である。
• VCC128のような矮星銀河にSBHが存在する事実や、z ≈ 0.8 における高赤外光度銀河密度とSBH降着ピークの一致は、複雑で、おそらく非普遍的な形成経路を示唆している。
• 論文は、天体物理学的および宇宙論的メカニズムが両方寄与した可能性があるが、最も巨大なSBHの早期出現を一貫して説明できるのは、宇宙論的モデルに限ると結論づける。