[論文レビュー] The Formation of the First Quasars in the Universe

Joseph Smidt, Daniel J. Whalen+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 3被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、ULAS J1120+0641 や SDSS J0100+2802 などの最初のクェーサーが、冷たく密度の高いガスの流れを効率的に降着する直接崩壊ブラックホールによって形成されたと提案している。このシミュレーションは、ビッグバン後約10億年以内に急速に成長するメカニズムを再現し、観測された質量、明るさ、イオン化近接領域、星形成率、金属量、およびALMAで測定された銀河の動的質量を正確に再現している。超新星の反動が初期クェーサーの成長を制御している。

ABSTRACT

Supermassive black holes are the central engines of luminous quasars and are found in most massive galaxies today. But the recent discoveries of ULAS J1120+0641, a 2 $ imes$ 10$^9$ M$_{\odot}$ black hole at $z \sim$ 7.1, and SDSS J0100+2802, a 1.2 $ imes$ 10$^{10}$ M$_{\odot}$ black hole at $z =$ 6.3, challenge current paradigms of cosmic structure formation because it is not known how quasars this massive appeared less than a billion years after the Big Bang. Here, we report new cosmological simulations of SMBHs with x-rays fully coupled to primordial chemistry and hydrodynamics that show that J1120+0641 and J0100+2802 can form from direct collapse black holes if their growth is fed by cold, dense accretion streams, like those thought to fuel the rapid growth of some galaxies at later epochs. Our models reproduce the mass, luminosity and ionized near zone of J1120+0641, as well as the star formation rate and metallicity in its host galaxy. They also match new observations of the dynamical mass of the central 1.5 kpc of its emission region just obtained with ALMA. We find that supernova feedback from star formation in the host galaxy regulates the growth of the quasar from early times.

研究の動機と目的

• ビッグバン後約7億年以内に質量 2×10⁹ M☉ の超大質量ブラックホールが形成されたという謎を解明すること。
• 直接崩壊ブラックホール（DCBH）が、ULAS J1120+0641 や SDSS J0100+2802 のような高赤方偏移クェーサーを十分に急速に成長させられることを調査すること。
• 初期宇宙の時代にブラックホールの急速な成長を駆動する冷たく密度の高い降着流の役割を検証すること。
• 宿主銀河内の星形成からのフィードバックが、初期クェーサー成長の初期段階からどのように制御されるかを検討すること。
• 明るさ、イオン化近接領域、星形成率、金属量、ALMAによる動的質量測定といった、主な観測的制約を再現すること。

提案手法

• 高赤方偏移環境における原始的化学反応と流体力学を組み合わせた、X線フィードバックを組み込んだ宇宙論的シミュレーションを実施する。
• z ~ 15–20 の段階で、ダークマターのミニハロ内の純粋ガスから直接崩壊ブラックホール（DCBH）の形成をモデル化する。
• 中心ブラックホールに供給される冷たく密度の高い降着流をシミュレートし、後期銀河形成における流入メカニズムを模倣する。
• 宿主銀河内の初期星形成に起因する超新星フィードバックを組み込み、ブラックホールの降着とガス供給を制御する。
• 放射線輸送とイオン化モデリングを用いて、クェーサーの明るさとイオン化近接領域を計算し、J1120+0641 の観測結果と一致させる。
• 中心1.5 kpc領域のシミュレートされた動的質量プロファイルをALMA観測と比較し、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビッグバン後約7億年以内に、z ~ 7.1 で 2×10⁹ M☉ のクェーサーを形成できるほど、直接崩壊ブラックホールが十分に急速に成長できるか？
• RQ2 ULAS J1120+0641 の観測された明るさとイオン化近接領域を再現するには、どのような降着メカニズムが必要か？
• RQ3 宿主銀河内の星形成に起因する超新星フィードバックが、初期クェーサー進化段階で中心ブラックホールの成長にどのように影響を与えるか？
• RQ4 J1120+0641 の宿主銀河における観測された星形成率と金属量は、モデルでどの程度再現可能か？
• RQ5 クェーサー発光領域の中心1.5 kpc領域のシミュレートされた動的質量は、ALMAによる測定値と一致するか？

主な発見

• シミュレーションは、ビッグバン後約7億年以内に形成されたとされる ULAS J1120+0641 の観測質量 2×10⁹ M☉ を正確に再現した。
• モデルは J1120+0641 の明るさとイオン化近接領域を再現し、冷たい降着流がこのような極端なクェーサーを駆動できることを確認した。
• J1120+0641 の宿主銀河におけるシミュレートされた星形成率と金属量は、観測的制約と整合的であった。
• モデルは、中心1.5 kpc領域のALMAによる動的質量を再現し、クェーサー系の構造的および運動的性質の妥当性を裏付けた。
• 初期星形成に起因する超新星フィードバックが、ブラックホールの降着を初期段階から制御しており、暴走的成長を防いでいることが判明した。
• 冷たく密度の高い降着流によって駆動される直接崩壊ブラックホールは、高赤方偏移における最も質量の大きなクェーサーの形成が可能であることが示され、初期構造形成における重要な課題が解決された。