[論文レビュー] The Race to Build Supermassive Black Holes

Craig Tyler, Brent Janus+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2003

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、ビッグバン後88000万年以内に超大質量ブラックホール（SMBH）を形成するメカニズムを評価しており、z=6.41のクェーサーに3×10⁹ M☉のブラックホールが存在するという挑戦を扱っている。合体駆動成長は遅く、小さな種からの連続的Eddington限界吸着も不実用的である。代わりに、著者らは初期のSMBH形成を説明するには、巨大密度の増大から生じる原始ブラックホール、極端な人口III星の爆発的形成、または超大質量星といった非標準的プロセスが必要であると結論づける。

ABSTRACT

The high redshifts of the most distant known quasars, and the best estimates of their black hole masses, require that supermassive black holes (SMBHs) must have formed very early in history. Several mechanisms for creating and growing these holes have been proposed. Here we present an evaluation of the timescales needed for various critical processes in order to discriminate between the proposed scenarios. We find in particular that mergers alone are not able to grow the black holes at a sufficient rate. Accretion models offer a solution and we use accretion timescales to constrain the manner in which the black hole was first formed. This analysis implies, but does not require, the action of some unconventional process.

研究の動機と目的

• ビッグバン後88000万年以内に3×10⁹ M☉のブラックホールを形成できるか、既知の天体物理学的プロセスが可能かどうかを評価すること。
• 超大質量ブラックホールの合体駆動成長と吸着駆動成長の妥当性を評価すること。
• z=6.41時点で観測されたクェーサー質量に到達するためのEddington限界吸着による、最小初期ブラックホール質量を特定すること。
• 標準的形成シナリオ（例：人口III星や原始ブラックホール）が時間的制約を満たせるかどうかを評価すること。
• 初期の超大質量ブラックホール形成を説明するために、非標準的メカニズムが必要かどうかを結論づけること。

提案手法

• 著者らは、標準的なEddington吸着率式 Ṁ_Edd = 4πGM/c²F を用いて、Eddington限界で成長するブラックホールの吸着時間スケールを計算した。ここでFはEddingtonフラックスである。
• 冷たいダークマター（CDM）シミュレーションの出力を用いて、合体によるブラックホール成長をモデル化し、サブハローの降下と動的摩擦の時間スケールを追跡することで、合体効率を特定した。
• 角運動量抑制のため、時間に比例して線形に成長するように仮定したダークマターの吸着成長を評価した。
• 原始ブラックホール、人口III星の残骸、超大質量星の3つの異なる種の形成シナリオからの成長率を比較した。
• WMAP ΛCDMモデルの宇宙論的パラメータ（H₀=71 km s⁻¹ Mpc⁻¹、Ωₘ=0.27、ΩΛ=0.73）を用いて、z=6.41における宇宙の年齢を880 Myrと計算した。
• 各成長経路が観測されたM•–σ関係と、宇宙時間におけるクェーサー質量の変化がないことと整合するかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 合体によるブラックホール成長のみで、z=6.41までに3×10⁹ M☉のブラックホールを形成できるか？
• RQ2 小さな種ブラックホール（例：100 M☉）からの連続的Eddington限界吸着は、88000万年以内に超大質量ブラックホールを形成するのに十分か？
• RQ3 Eddington限界吸着によって、宇宙が88000万年だった時点で観測されたクェーサー質量に到達するには、どのくらいの初期ブラックホール質量が必要か？
• RQ4 角運動量抑制のため、ダークマターからの吸着はバリオン物質からの吸着と比べて成長効率が低く、初期に大きな種がなければ観測されたSMBH質量を説明できないか？
• RQ5 標準的形成経路（例：人口III星や原始ブラックホール）は十分か、それとも非標準的メカニズムが必要か？

主な発見

• 動的摩擦がサブハローの合体を制限するため、合体駆動成長は88000万年以内に3×10⁹ M☉のブラックホールを形成するには遅すぎる。
• 100 M☉の種ブラックホールからの連続的Eddington限界吸着は、不切実に高いかつ持続的なガス供給を必要とし、このシナリオは不実用的である。
• Eddington限界吸着によって、利用可能な時間内に観測された質量に到達するには、少なくとも約900 M☉の初期種ブラックホールが必要であり、巨大な初期種が不可欠であることを示唆する。
• 角運動量抑制のため、ダークマターからの吸着は時間に比例して線形に成長するため、初期に大きな種がなければSMBH形成を説明するのは遅すぎる。
• 著者らは、標準的形成経路は不十分であり、巨大密度からの原始ブラックホール、極端な人口III星の爆発的形成、または超大質量星といった非標準的プロセスがおそらく必要であると結論づける。
• 解析から、合体や小粒種からの標準的吸着では不十分であるため、初期の超大質量ブラックホール形成を説明するには、非標準的プロセスが不可欠であると示唆される。