[論文レビュー] Sustained super-Eddington accretion in high-redshift quasars

Alessandro Lupi, G. Quadri+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、宇宙論的シミュレーション内での高赤方偏移クェเซアにおいて、数千万年間にわたり持続する超Eddington降着が可能であることを示している。これは、強いフィードバックにもかかわらず、急速に流入する高密度ガスが排除を防ぎ、降着が噴出後すぐに回復することにより、ブラックホールの急速な成長を可能にする。初期スピンが高く、ジェットフィードバックも強い状況でも、質量の大きなハロー内の高密度で急速なガス流入が、排除を抵抗し、降着が速やかに回復する。このことは、z > 6で観測された過剰質量ブラックホールの起源を説明する。

ABSTRACT

Observations of $z \gtrsim 6$ quasars provide information on the early evolution of the most massive black holes (MBHs) and galaxies. Current observations, able to trace both gas and stellar properties, reveal a population of MBHs that is significantly more massive than expected from the local MBH-stellar mass relation. The population lies on, but mostly above, the relation observed in the nearby Universe. This suggests that these objects grew very rapidly. To explain their presence when the Universe was less than 1~Gyr old and to assess the physical conditions for their rapid growth, we explored whether episodes of accretion above the Eddington limit can occur across cosmic epochs. By employing state-of-the-art high-resolution cosmological zoom-in simulations of a $z\sim 7$ quasar, where different accretion regimes are included consistently, together with their associated radiative and kinetic feedback, we show that super-Eddington phases can be sustained for relatively long timescales (tens of millions of years). This allows the MBH to rapidly grow by up to three orders of magnitude, depending on the strength of the kinetic feedback. We also show by means of a semianalytic calculation that the MBH spin remains moderate and does not take on extremely high values during the super-Eddington phases. This results in a lower feedback efficiency, which may allow the rapid growth required to explain over-massive high-redshift MBHs.

研究の動機と目的

• 宇宙論的文脈下で、高赤方偏移クェセアにおける超Eddington降着が、長期間（数千万年）にわたり持続可能かどうかを調査すること。
• 超Eddington段階中のブラックホール成長を規制する放射フィードバックおよび運動的フィードバックの役割を評価すること。
• 超Eddington降着中におけるMBHスピンの進化と、フィードバック効率に与える影響を検討すること。
• Eddington限界を超える降着メカニズムを検証することで、z > 6における過剰質量ブラックホールの起源を説明すること。
• 実際のフィードバック結合を組み込んだフル宇宙論的ズームインシミュレーションを用いて、以前の理想化されたシミュレーションの妥当性を評価すること。

提案手法

• M_halo ≈ 3×10¹² M☉ の z ≈ 7 のクェセア宿主ハローを対象とした高解像度の宇宙論的ズームインシミュレーションを実施。自己一貫性のある降着物理とフィードバックを含む。
• 超Eddington降着のためのスリムディスクモデルを採用。放射の閉じ込めと拡散冷却を可能とし、放射駆動型噴出とジェットを含む。
• フィードバックへの影響を分離するため、固定されたブラックホールスピンを用い、後に Ricarte et al. (2023) のモデルを半解析的に適用してスピン進化をテスト。
• MBH周囲のガス密度と温度の時間変化を追跡し、フィードバックの抑制と回復 timescale を評価。
• Blandford-Znajek機構を用いてジェット効率を計算。MAD性はEddington比と経験的スケーリング (f_Edd/f_c)^α に基づいて決定。
• 以前の理想化されたシミュレーション（例：Regan et al. 2019; Massonneau et al. 2023b）と比較。特に、高密度環境におけるフィードバックの耐性に注目。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移クェセアの宇宙論的シミュレーションにおいて、超Eddington降着段階が数千万年間にわたり持続可能か？
• RQ2 ガス豊富で高密度な銀河核において、強いジェットフィードバックが降着の抑制と回復に与える影響は何か？
• RQ3 持続的超Eddington降着中におけるブラックホールスピンの進化はどのように進行し、フィードバック効率にどのような影響を与えるか？
• RQ4 高赤方偏移ブラックホールが、局所的相関関係に対して過剰質量に見えるのはなぜか？持続的超Eddington降着がその説明になり得るか？
• RQ5 深いポテンシャルウェルと高い流入レートの組み合わせが、強力なフィードバックにもかかわらずガスの長期的排出を防ぐメカニズムは何か？

主な発見

• 急速なガス流入と中心部の高密度状態のおかげで、高赤方偏移クェセアにおいて数Myrにわたる超Eddington降着段階が持続される。
• 強いジェットフィードバックがあるにもかかわらず、ガス密度は依然として高い（n_H ≈ 10⁴–10⁵ cm⁻³）状態を維持し、冷却と流入の効率のおかげで噴出後、速やかに降着が回復する。
• 超Eddington段階中、MBHスピンは急速に低下し、約0.3にまで低下する。これは、高スピン仮定と比較してジェット効率を約4倍低下させる。
• 超Eddington段階中、ディスクのMAD性は平均で約0.5であり、標準MADではなく、高質量降着ディスク（HMAD）状態への移行を示唆している。
• 高ガス密度、深いポテンシャルウェル、短い自由落下時間スケールの組み合わせが、長期的なガス排出を防ぎ、持続的成長を可能にする。
• 強いフィードバックがあっても、システムは回復的であり、ブラックホールは急速に成長し、フィードバックが自己調整的になる前に過剰質量に達することが可能である。