[論文レビュー] The Collapse of Atomically-Cooled Primordial Haloes. I. High Lyman-Werner Backgrounds

Samuel Patrick, Daniel J. Whalen+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2020

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ひとこと要約

本研究は、高解像度の流体力学的シミュレーションを用いて、高レベルのライマン＝ヴェルナー背景下における原子的に冷却される原始的ハローの長期的崩壊をモデル化し、降着円盤内の破壊がほぼ普遍的であることを明らかにした。これにより、超大質量連星または複数星系の形成が生じる。シミュレーションは、直接崩壊ブラックホール（DCBH）の形成に十分な時間、急速なバリオン崩壊が継続することを確認しており、これは初期宇宙においてこのような連星系が一般的であり、重力波放射によってLISAで検出可能な合体が生じうることを示唆している。

ABSTRACT

Pristine, atomically-cooled haloes may be the sites of primordial quasar formation because atomic cooling triggers rapid baryon collapse that can create 10$^4$ - 10$^5$ M$_{\odot}$ black hole seeds. However, no numerical simulation has ever followed the collapse of these haloes for the times required to form supermassive stars and direct-collapse black holes (DCBHs). We have now modeled baryon collapse in atomically-cooled haloes with a wide range of spin parameters and assembly histories for times that are sufficient for DCBH formation. Fragmentation of accretion disks after $\sim$ 500 kyr is nearly ubiquitous in these haloes and in most cases leads to the formation of binary or multiple supermassive stellar systems. They also confirm that rapid baryon collapse proceeds for the times required for these stars to form DCBHs. Our simulations suggest that binary or even multiple DCBH formation was the rule rather than the exception in the primordial Universe.

研究の動機と目的

• 原子的に冷却される原始的ハローにおけるバリオン崩壊の長期的進化を、高レベルのライマン＝ヴェルナー（LW）UV背景下で調査すること。
• 直接崩壊ブラックホール（DCBH）の形成に十分な時間スケールで、降着率が依然として高いままであるかどうかを特定すること。
• これらのハローにおける崩壊の最終的結果を形作る際の円盤破壊の役割を検討すること。
• 連星または複数DCBH系が形成される可能性と、それらが重力波を通じて検出可能である確率を評価すること。

提案手法

• スピンパラメータや集積歴の多様性を有する原子的に冷却されるハローにおけるバリオン崩壊をモデル化するため、Enzoコードを用いた高解像度の宇宙論的流体力学的シミュレーション。
• 降着と原始星スケールの解像度を追跡するためのシンク粒子の導入。これにより数値的安定性を維持。
• 小スケールでの人工的破壊を防ぎ、正確な角運動量輸送を保証するための圧力床の導入。
• 形成中の星からの放射フィードバックを組み込み、降着および破壊に与える影響を評価。
• 複数のハローで600 kyrにわたる崩壊をシミュレートし、円盤の進化および断片形成を捉える。
• ハローおよび準構造体の同定にytreeソフトウェアを用いて、円盤構造および断片のダイナミクスを分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高レベルのライマン＝ヴェルナー背景下において、原子的に冷却されるハローにおけるバリオン崩壊が、直接崩壊ブラックホール（DCBH）の形成に十分な時間継続するか？
• RQ2 原始的ハローの崩壊過程で円盤破壊がどれほど避けがたいものであり、その結果生じる系（例えば連星、複数系）はどのようなものか？
• RQ3 形成中の星およびブラックホールの最終的質量と配置は、ハローのスピンおよび集積歴にどのように依存するか？
• RQ4 連星または複数DCBH系が形成され、合体して検出可能な重力波を発する可能性はどの程度か？
• RQ5 得られた系の性質は、H2冷却または第III星形成経路によって予想されるものと比較してどう異なるか？

主な発見

• 降着円盤内の破壊は、約500 kyr経過後、ほぼ普遍的に発生し、大多数のシミュレートされたハローで連星または複数の超大質量星系が形成される。
• 急速なバリオン崩壊は、10^4–10^5 M☉の質量を持つ直接崩壊ブラックホール（DCBH）の形成に十分な時間（600 kyr以上）継続する。
• シミュレーションは、DCBH形成がまれな出来事ではなく、むしろ初期宇宙においては連星または複数系の形成が一般的であることを確認している。
• DCBHは、0.1–0.2 pcの近接距離および10^7 cm⁻³以上の高密度環境に形成され、放射ドラッグによる迅速な軌道崩壊とその後の合体が生じ、LISAで検出可能な重力波を発する。
• 最終的な系にはSMS–SMS、SMS–DCBH、DCBH–DCBH連星が含まれ、潮汐破壊イベントに起因する特徴的なX線および近赤外線のシグナチャーが発生する可能性がある。
• シミュレーションでは磁場が存在しないが、破壊パターンは期待通りであり、解像度に達するスケールでは磁場による抑制が大規模なクラスター形成を妨げないことが示唆されている。