[論文レビュー] The formation and evolution of massive black hole seeds in the early Universe

Priyamvada Natarajan|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、高赤方偏移におけるダークマターハロー内の原始的ガスディスクの直接的崩壊を通じて、質量ブラックホール・シードの形成と進化を調査する。モンテカルロ合体ツリー法を用いてブラックホール質量の蓄積を追跡する。予測では、質量ブラックホール・シードは高スピン・高質量ハローに優先的に形成され、低質量・バルジのない銀河では低占有率となり、局所的な $M_{\rm bh}-\sigma$ 関係の低質量端に顕著な特徴が現れ、シード形成効率やモデル間の観測的区別に強い示唆をもたらす。

ABSTRACT

Tracking the evolution of high redshift seed black hole masses to late times, we examine the observable signatures today. These massive initial black hole seeds form at extremely high redshifts from the direct collapse of pre-galactic gas discs. Populating dark matter halos with seeds formed in this fashion, we follow the mass assembly history of these black holes to the present time using a Monte-Carlo merger tree approach. Utilizing this formalism, we predict the black hole mass function at high redshifts and at the present time; the integrated mass density of black holes in the Universe; the luminosity function of accreting black holes as a function of redshift and the scatter in observed, local M-sigma relation. Comparing the predictions of the `light' seed model with these massive seeds we find that significant differences appear predominantly at the low mass end of the present day black hole mass function. However, all our models predict that low surface brightness, bulge-less galaxies with large discs are least likely to be sites for the formation of massive seed black holes at high redshifts. The efficiency of seed formation at high redshifts has a direct influence on the black hole occupation fraction in galaxies at z=0. This effect is more pronounced for low mass galaxies. This is the key discriminant between the models studied here and the Population III remnant `light' seed model. We find that there exists a population of low mass galaxies that do not host nuclear black holes. Our prediction of the shape of the M-sigma relation at the low mass end and increased scatter has recently been corroborated by observations.

研究の動機と目的

• 原始的ガスディスクの直接的崩壊を通じて、前銀河ハロー内での初期宇宙における質量ブラックホール・シードの形成と進化をモデル化すること。
• 高赤方偏移におけるシード形成効率が、$z=0$ の銀河におけるブラックホール占有率に与える影響、特に低質量およびバルジのない系においてどのように影響するかを評価すること。
• 異なるシード質量モデルに基づき、現在のブラックホール質量関数、吸収中のブラックホールの等級関数、および $M_{\rm bh}-\sigma$ 関係の散らばりを予測すること。
• 低赤方偏移における観測的シグネイチャーを用いて、質量シードモデルと従来の人口III残骸「軽量シード」モデルを区別すること。
• 初期のシード形成の長期的観測的痕跡が、局所の超大質量ブラックホールおよびそのハロー銀河の人口統計に与える影響を評価すること。

提案手法

• 高赤方偏移（$z>15$）から現在に至るまでのブラックホール質量蓄積歴を追跡するために、モンテカルロ合体ツリー法を用いる。
• Lodato & Natarajan (2006) の解析的モデルを適用し、ハローのスピン、ガス分率、およびトゥール・パラメータ $Q_{\rm c}$ をもとにシード質量を計算。$M_{\rm BH}$ は $\lambda_{\rm max}$ と有効温度を含む閉形式の式で与えられる。
• ディスクの破壊を防ぐために、臨界温度閾値 $T_{\rm max}$ を設け、有効なハロー質量の範囲を制限する。
• スピンおよび質量基準に基づき、ダークマターハローにシードを配置し、形成効率を $Q_{\rm c}$ およびハローの凝縮度に依存させる。
• 階層的合体および吸収を模擬し、ブラックホール質量関数および $M_{\rm bh}-\sigma$ 関係の進化を追跡する。
• さまざまなシード形成効率を持つモデル間で予測を比較し、特に質量シード（$10^5-10^6 M_\odot$）と人口III残骸からの軽量シードを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移における質量ブラックホール・シードの形成効率が、低赤方偏移銀河におけるブラックホール占有率に与える影響は何か？
• RQ2 局所宇宙において、質量シードモデルと従来の人口III残骸「軽量シード」モデルを区別する観測的シグネイチャーは何か？
• RQ3 局所的な $M_{\rm bh}-\sigma$ 関係の形状と散らばりは、初期のシード質量関数および形成効率にどのように依存するか？
• RQ4 低表面輝度でバルジのない、大きなディスクを持つ銀河が高赤方偏移時に質量ブラックホール・シードを有さないのはなぜか？
• RQ5 低赤方偏移における代替の吸収または成長メカニズムが、初期のシードモデルの差をどのように隠蔽または補償するか？

主な発見

• 質量ブラックホール・シード（$M \approx 10^5-10^6 M_\odot$）は、$z>15$ で高スピン・高質量ハローに優先的に形成され、形成効率はトゥール・パラメータ $Q_{\rm c}$ に強く依存する。
• モデルは、$z=0$ の低質量銀河の顕著な割合が核ブラックホールを有さないことを予測しており、最近のHST観測で示された低質量端における平坦化した $M_{\rm bh}-\sigma$ 関係と整合的である。
• 局所的な $M_{\rm bh}-\sigma$ 関係の散らばりは、質量シードモデルではより大きくなると予測され、観測データによって現在確認されている。
• 質量シードモデルと軽量シードモデルの差は、現在のブラックホール質量関数の低質量端で顕著であり、質量シードでは低質量端の勾配が急になる。
• 銀河内のブラックホールの占有率は、後の吸収メカニズムにほとんど依存せず、初期のシード形成プロセスを強力に示すトレーサーである。
• ブラックホール質量関数の高質量端では、初期のシードモデルの影響は小さくなり、$z \sim 3$ では後続の吸収および合体プロセスが支配的であるため、モデル間の差は判別しにくくなる。