[論文レビュー] Sunyaev-Zel'dovich constraints from black hole-seeded proto-galaxies

N. Aghanim, C. Balland+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2000

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、初期の衝撃加熱期にブラックホールを核に持つプロト銀河からの熱的および運動的サンヤエフ＝ツェルドビチ効果（SZ効果）をモデル化し、顕著なスペクトル歪みと小スケールCMB非一様性を予測する。COBE-FIRASの制限を用いて、ブラックホールを伴うプロト銀河の割合とブラックホール質量と球状構造の質量比を制約し、密度プロファイルが等温である場合、観測と整合するためにはブラックホール質量分率が非常に小さく（$\sim10^{-3}$）あるいは核半径がハッブル半径の30分の1未塔（$p \lesssim 1/30$）である必要があることが判明した。

ABSTRACT

Recent studies of galactic nuclei suggest that most galaxies are seeded by super-massive black holes which power the central nucleus. In this picture, the proto-galactic object is likely to have undergone a very active phase during which the surrounding medium was shocked and heated up to very high temperatures. We predict the cosmological effects of this scenario in terms of the thermal and kinetic Sunyaev-Zel'dovich distortions induced on galactic scales by a population of proto-galaxies. These predictions are compared to the observational limit on the mean Compton distortion set by the COBE-FIRAS instrument. This enables us to derive tight constraints on the fraction of proto-galaxies seeded by super-massive black holes as well as on the black hole-to-spheroid mass ratio. Finally, we estimate the contribution of such a population to the angular power spectrum of the Cosmic Microwave Background temperature anisotropies on very small angular scales ($l\simeq 10^4-10^5$).

研究の動機と目的

• ブラックホール駆動の衝撃加熱が宇宙背景放射（CMB）に与える宇宙論的影響を調査すること。
• 初期のプロト銀河の集団から生じる熱的および運動的サンヤエフ＝ツェルドビチ（SZ）効果の歪みを計算すること。
• 予測されたコンプトン$y$-パラメータと角度パワースペクトルをCOBE-FIRAS観測結果と比較し、モデルパラメータを制約すること。
• 特に$l \sim 10^4 - 10^5$の領域における、プロト銀河が小スケールCMB温度非一様性に与える寄与を評価すること。
• 観測制限を用いて、ブラックホールを伴うプロト銀河の割合およびブラックホール質量と球状構造の質量比に対する制約を導出すること。

提案手法

• 中心に超大質量ブラックホールを有するプロト銀河ガスの衝撃加熱をモデル化し、エネルギー出力がEddington光度の$\epsilon_E = 0.1 - 0.2$の範囲にあると仮定する。
• 熱的SZ効果を表す積分$y = 2 \int_0^R \frac{kT}{m_e c^2} \sigma_T n_e(l) \, dl$によりコンプトン$y$-パラメータを計算する。
• 衝撃を受けたガスの流れの平均速度を考慮し、運動的SZ非一様性を$\delta T / T = (v_r / c) \cdot 2 \int_0^R \sigma_T n_e(l) \, dl$により計算する。
• プレス＝シェクター質量関数を用いて、宇宙時間にわたるプロト銀河の数密度を推定する。
• 二次的CMB非一様性の角度パワースペクトルをシミュレートし、プロト銀河寄与が一次非一様性および他の二次的効果と比較してどの程度の寄与を示すかを検討する。
• COBE-FIRASによるグローバルコンプトン歪み制限を用いて、モデルの$y$-パラメータの上限を導出し、$f$、$\epsilon_{BH}$、$\alpha$、$p$の制約を求める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブラックホールを伴うプロト銀河の集団が、衝撃加熱期に及ぼす熱的および運動的サンヤエフ＝ツェルドビチ効果の予測された振幅はどの程度か？
• RQ2 プロト銀河からの予測されたグローバルコンプトン$y$-パラメータは、COBE-FIRASによるスペクトル歪み観測限界とどのように比較されるか？
• RQ3 超大質量ブラックホールによってシードされたプロト銀河の割合およびブラックホール質量と球状構造の質量比にどのような制約を課すことができるか？
• RQ4 プロト銀河のSZ効果が、非常に小さな角度スケール（$l \sim 10^4 - 10^5$）におけるCMB角度パワースペクトルにどの程度寄与するか？
• RQ5 ガス密度プロファイル（例：キングプロファイル対等温プロファイル）およびコア半径に関する仮定の変更に、予測がどの程度敏感に応答するか？

主な発見

• モデルは、プロト銀河の衝撃加熱が、特に$l \sim 10^4 - 10^5$の領域で顕著なCMBスペクトル歪みと小スケール非一様性を生じることを予測する。
• ガス密度プロファイルが等温である場合、COBE-FIRASの制限を満たすためには、コア半径がハッブル半径の30分の1未満（$p \lesssim 1/30$）である必要がある。
• 等温プロファイルの場合、観測と整合するためにはブラックホール質量と球状構造の質量比が$\epsilon_{BH} \sim 10^{-3}$程度の非常に小さい値である必要がある。
• 密度プロファイルがキングプロファイルに近い場合、$\epsilon_{BH}$および$p$の制約は緩和され、より広いパラメータ空間が許容される。
• プロト銀河からのグローバルコンプトン$y$-パラメータは、宇宙論的密度パラメータ$\Omega_0$にほとんど依存せず、$\Omega_0 = 1$または$0.3$のいずれの場合にも弱い依存性を示す。
• プロト銀河の運動的SZ効果は、非常に小さな角度スケールで他の二次的効果を上回り、今後のALMAのような機器で検出可能である可能性がある。