[論文レビュー] The mass assembly history of black holes in the Universe

Priyamvada Natarajan|arXiv (Cornell University)|May 24, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、初期銀河のガス円盤の直接崩壊による高赤方偏移で形成される高質量初期種の経路を追跡するモンテカルロ合体木モデルを提案する。このモデルは、現在のブラックホール質量関数における明確な低質量端と、$M_{\rm bh}-\sigma$ 関係における散らばりの増加を予測する。低表面ねらい度でバルジを持たない銀河はブラックホールを有する割合が低くなる。これらは、高質量初期種モデルと第3星族残骸種モデルを区別するための重要な特徴である。

ABSTRACT

We track the growth and evolution of high redshift seed black holes over cosmic time. This population of massive, initial black hole seeds form at these early epochs from the direct collapse of pre-galactic gas discs. Populating dark matter halos with seeds formed in this fashion, we follow their mass assembly history to the present time using a Monte-Carlo merger tree approach. Using this formalism, we predict the black hole mass function 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 Mbhσs relation. Signatures of these massive seed models appear predominantly at the low mass end of the present day black hole mass function. In fact, our prediction of the shape of the Mbhσs relation at the low mass end and increased scatter has recently been corroborated by observations. These 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 also has a direct influence on the black hole occupation fraction in galaxies at z = 0. This effect is more pronounced for low mass galaxies today as we predict the existence of a population of low mass galaxies that do not host nuclear black holes. This is the key discriminant between the models studied here and the Population-III remnant seed model.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移における高質量ブラックホール初期種形成の痕跡が、局所のブラックホール質量関数および$M_{\rm bh}-\sigma$ 関係に与える影響を調査すること。
• 初期種形成効率が、$z=0$ の低質量銀河におけるブラックホール占有可能分率に与える影響を特定すること。
• ブラックホール質量関数および$M_{\rm bh}-\sigma$ 関係における低質量端の特徴を用いて、高質量初期種モデルと第3星族残骸初期種モデルを区別すること。
• バルジの有無やスピンといった、宿主銀河の性質が高赤方偏移におけるブラックホール初期種形成の確率に与える影響を評価すること。
• 後続の降着および合体プロセスが初期状態を隠す可能性がある中で、初期種形成の痕跡がどれほど頑健であるかを評価すること。

提案手法

• 高赤方偏移初期種から現在に至るまでのブラックホール質量の蓄積をモンテカルロ合体木法でシミュレートする。
• $z \gtrsim 10$ で、初期銀河のガス円盤の直接崩壊によって形成された初期種を、ダークマターハローに配置する。
• 初期種形成効率パラメータを用いて、高効率から低効率までさまざまなシナリオを探索する。
• 低赤方偏移における関連するフィードバックおよび燃料供給モードを組み込み、降着および合体による質量増加を追跡する。
• 現在のブラックホール質量関数、降着中のブラックホールの等級関数、$M_{\rm bh}-\sigma$ 関係の散らばりを予測する。
• モデル予測を観測データと比較する。特に、$M_{\rm bh}-\sigma$ 関係の低質量端および占有可能分率に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直接崩壊による高質量ブラックホール初期種形成は、現在のブラックホール質量関数の形状にどのように影響を与えるか？
• RQ2 高質量初期種モデル下で、$M_{\rm bh}-\sigma$ 関係の低質量端における予測される散らばりは何か？観測結果と比較するとどうなるか？
• RQ3 初期種形成効率は、$z=0$ の低質量でバルジを持たない銀河におけるブラックホール占有可能分率にどのように影響を与えるか？
• RQ4 低赤方偏移の観測量を用いて、高質量初期種モデルを第3星族残骸初期種モデルと区別できるか？
• RQ5 後続の降着および合体プロセスが、局所ブラックホール集団における初期種形成の痕跡をどれほど隠してしまうか？

主な発見

• モデルは、現在のブラックホール質量関数に明確な低質量端を予測しており、低質量銀河の多くに核部ブラックホールが存在しないことを示唆している。
• HST ACSによるバレンス銀河低質量銀河調査の最新観測データと一致する、$M_{\rm bh}-\sigma$ 関係の低質量端における予測された散らばりが得られた。
• 低表面ねらい度でバルジを持たず、大きな円盤を持つ銀河は、中心集中度が低くスピンも小さいため、高赤方偏移で高質量初期種を形成する可能性が最も低い。
• 低質量銀河におけるブラックホール占有可能分率は、初期種形成効率に強く依存しており、その多くでブラックホールが検出されないことが示された。
• ブラックホール質量関数の高質量端は、初期種モデルの影響をあまり受けにくく、後続の降着および合体プロセスが支配的である。
• 占有可能分率は、初期種形成の歴史を強く反映するが、その後の降着メカニズムにほとんど依存しないため、信頼できるトレーサーである。