[論文レビュー] The growth of the gargantuan black holes powering high-redshift quasars and their impact on the formation of early galaxies and protoclusters

Jake S. Bennett, Debora Sijacki+3 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、高解像度のズームインシミュレーションを用いて、初期のブラックホール種付けとやや超Eddington降着が、赤方偏移z ≈ 6.3における高赤方偏移クェเซアの巨大ブラックホール（最大10^10 M⊙）の形成を可能にすることを示している。シミュレーションでは、このような急速な成長が強力な噴出的フィードバックを引き起こし、金属で豊富なガスを周囲銀河系媒体（CGM）に放出することで、星形成を抑制し、X線およびSunyaev-Zeldovichマップにおける検出可能信号を弱める。これは、将来的な望遠鏡（LynxやALMAなど）による検証が可能な予測を提供する。

ABSTRACT

High-redshift quasars ($z\gtrsim6$), powered by black holes (BHs) with large inferred masses, imply rapid BH growth in the early Universe. The most extreme examples have inferred masses of $\sim \! 10^9\,$M$_\odot$ at $z = 7.5$ and $\sim \! 10^{10}\,$M$_\odot$ at $z = 6.3$. Such dramatic growth via gas accretion likely leads to significant energy input into the quasar host galaxy and its surroundings, however few theoretical predictions of the impact of such objects currently exist. We present zoom-in simulations of a massive high-redshift protocluster, with our fiducial FABLE model incapable of reproducing the brightest quasars. With modifications to this model to promote early BH growth, such as earlier seeding and mildly super-Eddington accretion, such `gargantuan' BHs can be formed. With this new model, simulated host dust masses and star formation rates are in good agreement with existing JWST and ALMA data from ultraluminous quasars. We find the quasar is often obscured as it grows, and that strong, ejective feedback is required to have a high probability of detecting the quasar in the rest-frame UV. Fast and energetic quasar-driven winds expel metal-enriched gas, leading to significant metal pollution of the circumgalactic medium (CGM) out to twice the virial radius. As central gas densities and pressures are reduced, we find weaker signals from the CGM in mock X-ray and Sunyaev-Zeldovich maps, whose detection - with proposed instruments such as Lynx, and even potentially presently with ALMA - can constrain quasar feedback.

研究の動機と目的

• z ≳ 6の高赤方偏移クェセアを駆動する超質量ブラックホール（10^9–10^10 M⊙）の形成メカニズムを調査すること。
• AGNフィードバックを通じた、銀河およびプロトクラスタの進化に与える影響を評価すること。
• z ≈ 6–7のクェセアの観測された高質量および高輝度を、ブラックホール降着およびフィードバック理論モデルと調和させること。
• 周囲銀河系媒体（CGM）におけるクェセアフィードバックの観測可能なシグナル（X線およびSunyaev-Zeldovich（SZ）効果など）を予測すること。
• 近赤方偏移UV帯での検出可能性と、近接領域の短いクェセア寿命から推定される短い寿命の影響を評価すること。

提案手法

• 巨大な高赤方偏移プロトクラスタを対象とした、高解像度でズームインされた宇宙論的シミュレーションを実施し、ブラックホールの成長とフィードバックをモデル化する。
• FABLE（BaryonsおよびLuminous Emissionにおけるフィードバック）モデルを改変し、降着および種付けパラメータを調整することで、初期で急速なブラックホール成長を可能にする。
• やや超Eddington降着と早期のブラックホール種付け（z ≈ 20で10^5 M⊙の種から）を導入し、観測されたクェセア質量を再現する。
• 高速でエネルギーの高い風を介してAGNフィードバックをモデル化し、宿主銀河から金属で豊富なガスを排出し、CGMに放出することで、中心部のガス密度と圧力を低下させる。
• Lynx、AXIS、CMB-S4などの将来的な機器と比較可能な、CGMからのX線およびSZ信号のモック観測を生成する。
• J0100+2802のような超高輝度クェセアのJWSTおよびALMA観測データと比較して、シミュレートされたダスト質量および星形成率を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移クェセアにおいて、z ≈ 6.3までに10^10 M⊙のブラックホールを形成させるために必要な降着および種付け条件は何か？
• RQ2 強力で噴出的なAGNフィードバックは、周囲銀河系媒体（CGM）および近赤方偏移UV帯や他の波長帯におけるクェセアの検出可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 将来的な望遠鏡によってCGMにおけるクェセアフィードバックを制約するための観測可能なシグナル（X線やSZ効果など）は何か？
• RQ4 高赤方偏移クェセア（例：J0100+2802）がしばしば遮蔽される理由は何か？これは、短い推定寿命（<10^5 yr）と高い降着率とどのように関係しているか？
• RQ5 フィードバック駆動の噴出が、初期銀河およびプロトクラスタのガス構造に及ぼす影響はどの程度で、星形成をどの程度抑制するか？

主な発見

• FABLEモデルに早期のブラックホール種付けとやや超Eddington降着を組み込むことで、z ≈ 6.3までに10^10 M⊙のブラックホールが形成され、J0100+2802の観測結果と一致する。
• シミュレートされた宿主銀河のダスト質量および星形成率は、JWSTおよびALMAによる超高輝度クェセアの観測結果と良好に一致する。
• クェセアは成長段階の間、頻繁に遮蔽されていることが判明し、近接領域のサイズが小さいことから、クェセア寿命が<10^5 yrであると推定されるのと整合的である。
• 強力な噴出的フィードバックにより、金属で豊富なガスがハローの2倍のvirial半径までCGMに放出され、ハロー全体の金属汚染が顕著に進行する。
• 中心部のガス密度と圧力が低下することで、モックX線およびSunyaev-Zeldovich（SZ）マップにおける検出可能な信号が弱まり、現在の機器ではこのようなハローを検出するのが難しくなる。
• 将来的な望遠鏡（LynxやCMB-S4など）では、特にCGMにおいてこれらのフィードバックシグナルを検出できると予想され、クェセアフィードバックメカニズムを制約する道筋が得られる。