[論文レビュー] Simulating the formation of massive seed black holes in the early Universe. III: The influence of X-rays

Simon C. O. Glover|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2016

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 1被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、金属非存在の原子冷却ハロにおける分子水素（H$_2$）生成を抑制するための臨界紫外線（UV）放射場強度（$J_{\rm crit}$）が、高赤方偏移X線背景にどのように影響を受けるかを調査する。反応ベースの化学ネットワーク低減法を用いて、高X線放射場において$J_{\rm crit} \propto J_{\rm X}^{1/2}$が成り立つことが判明し、遮蔽仮定が主な不確実要因であることが特定された。$J_{\rm crit}$は電離断面積の詳細にほとんど依存しないが、H/Heの遮蔽長に敏感である。

ABSTRACT

The direct collapse black hole (DCBH) model attempts to explain the observed number density of supermassive black holes in the early Universe by positing that they grew from seed black holes with masses of $10^{4}$-$10^{5} \: { m M_{\odot}}$ that formed by the quasi-isothermal collapse of gas in metal-free protogalaxies cooled by atomic hydrogen emission. For this model to work, H$_{2}$ formation must be suppressed in at least some of these systems by a strong extragalactic radiation field. The predicted number density of DCBH seeds is highly sensitive to the minimum value of the ultraviolet (UV) flux required to suppress H$_{2}$ formation, $J_{ m crit}$. In this paper, we examine how the value of $J_{ m crit}$ varies as we vary the strength of a hypothetical high-redshift X-ray background. We confirm earlier findings that when the X-ray flux $J_{ m X}$ is large, the critical UV flux scales as $J_{ m crit} \propto J_{ m X}^{1/2}$. We also carefully explore possible sources of uncertainty arising from how the X-rays are modelled. We use a reaction-based reduction technique to analyze the chemistry of H$_{2}$ in the X-ray illuminated gas and identify a critical subset of 35 chemical reactions that must be included in our chemical model in order to predict $J_{ m crit}$ accurately. We further show that $J_{ m crit}$ is insensitive to the details of how secondary ionization or He$^{+}$ recombination are modelled, but does depend strongly on the assumptions made regarding the column density of the collapsing gas.

研究の動機と目的

• 金属非存在の原子冷却ハロにおけるH$_2$生成を抑制するために必要な臨界UV放射場強度（$J_{\rm crit}$）が、高赤方偏移X線背景にどのように影響を受けるかを特定すること。
• X線背景モデルの不確実性（スペクトル形状、電離断面積、遮蔽処理）が$J_{\rm crit}$に与える感度を評価すること。
• DCBHシミュレーションにおける$J_{\rm crit}$予測に必要な最小限の化学反応のセットを同定すること。
• 二次電離およびHe$^+$再結合処理の影響が$J_{\rm crit}$に与える影響を評価すること。
• ガスの密度構造と遮蔽長の仮定が、DCBH種子の予測数密度に与える影響を定量化すること。

提案手法

• X線およびUV放射にさらされた状況下でH$_2$生成・消失に寄与する35個の主要反応を特定する反応ベースの化学ネットワーク低減法を用いた1次元流体ダイナミクスシミュレーション。
• エネルギー依存の断面積とスペクトル指数（$\alpha = 1$ から $1.8$）を用いたX線光電離および二次電離のモデル化。
• 収縮するガス中のX線遮蔽感度をテストするために、可変な遮蔽長（$L_{\rm c} = \lambda_{\rm J}$ および $L_{\rm c} = \lambda_{\rm J}/2$）を導入。
• HおよびHeの光電離断面積の標準的フィットを用い、異なるパラメータ化の影響が$J_{\rm crit}$に与える影響を比較。
• 低エネルギーカットオフ（$h\nu_{\rm min}$）およびスペクトル指数（$\alpha$）を系統的に変化させ、X線背景パラメータの変動が$J_{\rm crit}$に与える影響を評価。
• 特にInayoshi & Tanaka (2015)との比較を通じて、モデリング選択による差異を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 X線背景の強度（$J_{\rm X}$）が、DCBH形成ハロにおけるH$_2$生成を抑制するために必要な臨界UVフラックス（$J_{\rm crit}$）にどのように影響を及えるか？
• RQ2 高X線放射場領域において、$J_{\rm crit}$は$J_{\rm X}$に対してどのような関数的依存性を示すか？
• RQ3 収縮するガス内でのX線遮蔽長の仮定が、$J_{\rm crit}$にどれほど感度を示すか？
• RQ4 二次電離、He$^+$再結合、光電離断面積の不確実性が、予測される$J_{\rm crit}$にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 スペクトル形状の変化（例：スペクトル指数、低エネルギーカットオフ）が、臨界UV閾値に与える影響は？

主な発見

• 高X線放射場において、臨界UVフラックスは$J_{\rm crit} \propto J_{\rm X}^{1/2}$のスケーリングに従うことが確認され、以前の理論的予想を裏付けた。
• 遮蔽長の仮定をより現実に近いもの（$L_{\rm c} = \lambda_{\rm J}$ と $\lambda_{\rm J}/2$ の比較）にしたことで、Inayoshi & Tanaka (2015) よりも最大で2倍の$J_{\rm crit}$が低減された。
• 正確な$J_{\rm crit}$予測に必要な最小化学ネットワークは35反応で構成され、そのうち26反応はGlover (2015a) に由来し、残りの9反応は強いX線放射場下での追加反応である。
• 適切なフィットが用いられれば、HおよびHeの光電離断面積のパラメータ化の選択に依存せず、$J_{\rm crit}$は不変である。
• モデル化された条件下では、He$^+$再結合の取り扱い方とは独立に結果が得られ、Hとの電荷移動が主要な消失経路であるためである。
• 二次電離の取り扱いにやや弱い依存性を示すが、遮蔽長およびX線スペクトル形状に強く依存する。特にスペクトル指数の変化により、高$J_{\rm X}$領域で$J_{\rm crit}$は最大50％の変動を示す。