[論文レビュー] The effects of metallicity and cooling physics on fragmentation: implications on direct-collapse black hole formation

C. Corbett Moran, Michael Y Grudić+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2018

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 2被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、3次元流体力学的シミュレーションを用いて、金属量、冷却物理学、およびガス温度の下限値が原始的ガス雲における分裂に与える影響を調査した。主な発見は、ガス温度の下限値が約10⁴ Kであると、分裂が最大60%まで減少することであり、低金属量（太陽比で2%未満）における分子冷却は、分裂を最大25%まで抑制するが、分裂抑制のための明確な金属量の閾値は存在しないことである。

ABSTRACT

A promising supermassive black hole seed formation channel is that of direct collapse from primordial gas clouds. We perform a suite of 3D hydrodynamics simulations of an isolated turbulent gas cloud to investigate conditions conducive to forming massive black hole seeds via direct collapse, probing the impact of cloud metallicity, gas temperature floor and cooling physics on cloud fragmentation. We find there is no threshold in metallicity which produces a sharp drop in fragmentation. When molecular cooling is not present, metallicity has little effect on fragmentation. When molecular cooling is present, fragmentation is suppressed by at most $\sim 25\%$, with the greatest suppression seen at metallicities below $2\%$ solar. A gas temperature floor $\sim 10^{4}$K produces the largest drop in fragmentation of any parameter choice, reducing fragmentation by $\sim 60\%$. At metallicities below $2\%$ solar or at temperatures $\sim 10^{3}$K we see a reduction in fragmentation $\sim 20-25 \%$. For a cloud of metallicity $2\%$ solar above and a temperature below $10^3$K, the detailed choices of temperature floor, metallicity, and cooling physics have little impact on fragmentation.

研究の動機と目的

• 原始的ガス雲が分裂を避け、直接崩壊によって大質量ブラックホール種子を形成する条件を特定すること。
• 金属量、冷却物理学、および数値的パラメータ（例：温度下限値）が乱流ガス雲における分裂に与える相対的影響を評価すること。
• 分裂が抑制されるパラメータ領域を特定し、大質量ブラックホール種子への単一塊の崩壊を可能にする条件を同定すること。

提案手法

• メッシュレス・フィニット・マスモードを用いたGIZMOコードによる3次元流体力学的シミュレーション。適応的メッシュフリー・ラグランジュ的流体力学。
• Grackleライブラリを用いた詳細な冷却物理学の組み込み。分子冷却のための非平衡H₂、H⁻、およびD/HD化学反応を含む。
• 分裂抑制への影響をテストするため、温度下限値パラメータの導入。
• 局所的なバーチャルパラメータ（α < 1）に基づく修正された星形成基準を用いて、自己重力的領域を同定。
• 金属量（0.01〜10%太陽比）、温度下限値（10¹〜10⁴ K）、冷却モデル（分子冷却有無）を体系的に変化。
• 初期ガス質量に対して正規化した1Myrにおける最も質量の大きな星団の質量を用いて、分裂の定量的評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分裂が抑制されるための明確な金属量閾値が存在するか？
• RQ2 ガス温度下限値の選択が原始的ガス雲における分裂にどのように影響するか？
• RQ3 金属量と分子冷却の相対的影響は、分裂抑制にどの程度寄与するか？
• RQ4 冷却物理学モデルの違い（例：H₂対H₂+D）が分裂の結果にどのように影響するか？
• RQ5 局所的な星形成率（自由落下時間あたり）といった数値的パラメータが、分裂にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• ガス温度下限値が約10⁴ Kであると、分裂が最大60%まで減少し、テストしたすべてのパラメータの中で最も強い抑制効果を示した。
• 金属量が2%太陽比未満で分子冷却がある場合、分裂は最大25%まで抑制され、特に金属量が最も低い場合に最大の抑制が観察された。
• 金属量が急激に低下するような明確な閾値は存在せず、金属量が低下するにつれて分裂抑制が徐々に増加した。
• 金属量が2%太陽比以上で、温度が10³ K未満の場合、金属量、冷却物理学、温度下限値の変化は分裂にほとんど影響しなかった。
• 温度下限値は10³ K未満では顕著な効果を示さなかったが、10⁴ Kでは、金属量を1%太陽比未満に低下させた場合と同等の抑制効果を示した。
• 冷たいガス温度（T_cold）が上昇するにつれて分裂が減少し、特に金属量が0.05 Z⊙未満の場合、マッハ数の遷移点（約3）を通過することで、暴発的分裂から単一塊の崩壊に移行する。