[論文レビュー] Seeds Don't Sink: Even Massive Black Hole "Seeds" Cannot Migrate to Galaxy Centers Efficiently

Linhao Ma, Philip F. Hopkins+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 9被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、高赤方偏移銀河における質量の大きなブラックホール種子の動的移動を、高解像度の宇宙論的シミュレーションと新規の動的摩擦推定器を用いて調査している。$10^8\,M_\odot$未満の種子は、湍流的でクラスタ構造を示す環境のため、銀河中心に効率的に沈降できないことが判明し、種子が自然に中心ポテンシャルの極小点に移動すると仮定する考え方に挑戦する。また、効率的な捕獲を可能にするのは、埋め込まれた高密度の星団や、多数の種子が存在する極端な状況に限られる、と示唆している。

ABSTRACT

Possible formation scenarios of supermassive black holes in the early universe include rapid growth from less massive seed black holes (BHs) via super-Eddington accretion or runaway mergers, yet both of these scenarios would require seed BHs to efficiently sink to and be trapped in the galactic center via dynamical friction. This may not be true for their complicated dynamics in clumpy high-$z$ galaxies. In this work we study this "sinking problem" with state-of-the-art high-resolution cosmological simulations, combined with both direct $N$-body integration of seed BH trajectories and post-processing of randomly generated test particles with a newly developed dynamical friction estimator. We find that seed BHs less massive than $10^8\,M_\odot$ (i.e., all but the already-supermassive seeds) cannot efficiently sink in typical high-$z$ galaxies. We also discuss two possible solutions: dramatically increasing the number of seeds such that one seed can end up trapped in the galactic center by chance, or seed BHs being embedded in dense structures (e.g. star clusters) with effective masses above the mass threshold. We discuss the limitations of both solutions.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移でクラスタ構造を示す銀河において、低質量ブラックホール種子が中心に効率的に移動できるかどうかを調査すること。
• 超大質量ブラックホール形成シナリオにおける重要な障壁である「沈降問題」——種子が急速に成長できるように、高密度の中心領域に到達する必要がある——を解消する。
• 2つの潜在的解決策の妥当性を評価すること：多数の種子が存在することで中央捕獲の確率が高まる、あるいは種子が高有効質量を持つ高密度構造に埋め込まれる。
• 深く安定した中心ポテンシャル井戸が形成されるタイミングと条件を評価すること。これは、種子が捕獲可能になるかどうかを決定する。
• LISAによる高赤方偏移の超大質量ブラックホール合体の検出に与える影響を検討すること。なぜなら、移動がキロパーセクスケールで止まってしまうからである。

提案手法

• 星形成と星間物質の反動を解像度高く再現した高赤方偏移銀河の宇宙論的シミュレーションを実施。
• 直接N体積分法を用いて、湍流的でクラスタ構造を示す環境下での種子ブラックホールの軌道を追跡。
• 時間的に変化する複雑な銀河ポテンシャル内でのテスト粒子の減速をモデル化するため、後処理による動的摩擦推定器を導入。
• 効率的な沈降に必要な有効質量の閾値を、種子ブラックホールの固有質量と比較して分析。
• 銀河ポテンシャル井戸と中心質量集中の進化をシミュレートし、安定した中心極小点が形成されるタイミングと条件を特定。
• 異なる種子質量と銀河タイプの間で比較を行い、ガス質量分率が高く、星形成が断続的な$z \gtrsim 7$系に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クラスタ構造を示し、湍流的である高赤方偏移銀河において、低質量ブラックホール種子（$< 10^8\,M_\odot$）は中心に効率的に沈降できるか？
• RQ2 高赤方偏移銀河において、深く安定した中心ポテンシャル井戸が形成される赤方偏移は何か？ そのタイミングが種子の捕獲に与える影響は？
• RQ3 クラスタ構造を示し、高赤方偏移環境下で効率的に沈降するための有効動的質量の閾値は何か？
• RQ4 多数の種子が存在する銀河において、種子が偶然中心に捕獲される確率はどれほどか？
• RQ5 種子の周囲に高密度の星団が存在すれば、十分な有効質量を提供し、効率的な沈降と早期の中心捕獲を可能にするか？

主な発見

• 質量が$10^8\,M_\odot$未満の種子ブラックホールは、通常の高赤方偏移銀河では、湍流的でクラスタ構造を示すダイナミクスのため、中心に効率的に沈降できない。
• 非常に大きな種子（$\gtrsim 10^8\,M_\odot$）ですら、中心に到達することができず、キロパーセクスケールで移動が止まる。
• 種子を捕獲可能な深い中心ポテンシャル井戸は、$z \lesssim 9$にのみ形成され、これは高金属量（$\gtrsim 0.1\,Z_\odot$）のガスと星と関連している。
• このような深いポテンシャル井戸の形成は、恒星形成の初期段階で生まれる第III星族や直接崩壊による種子が捕獲可能になるには遅く、一般的な種子形成モデルを揺るがす。
• 種子の数が著しく増加しない限り、多数の種子が存在する銀河においても、種子が偶然中心に捕獲される確率は無視できるほど小さい。
• 種子が高密度の星団に埋め込まれている場合、効率的な沈降を可能にするのに十分な有効動的質量に達する可能性があるが、現段階では完全にモデル化されていない条件を要する。