[論文レビュー] The role of gas fragmentation during the formation of supermassive black holes

Matías Suazo, Joaquín Prieto+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 116被引用数 34

ひとこと要約

本研究では、宇宙論的流体力学的シミュレーションを用いて、ガスの破断が直接崩壊ブラックホール（DCBH）モデルによる超大質量ブラックホール種の形成に与える影響を調査する。強いUV背景（J21 = 10,000）では破断が抑制され、単一の約10⁵ M⊙の種が形成されるが、弱い背景（J21 = 10）では破断が発生し、複数の10³–10⁴ M⊙の対象が形成される。それらは依然として合体して質量の大きな種を形成可能である。驚くべきことに、高J21背景でも、複数回の合体を経て高スピンとなったハローでは破断が生じる可能性があり、UV強度のみがDCBH形成を決定づける要因ではないことが示された。

ABSTRACT

We have performed cosmological hydrodynamic simulations to study the effect of fragmentation on the SMBH seed mass in the direct collapse formation scenario. We considered different background UV intensities, host halo spin, and halo merger histories. Our simulations in low-spin halos, in the presence of a strong UV background are consistent with the Direct Collapse Black Hole model, in which a single massive object $\sim10^5$ M$_{\odot}$ is formed in the center of a proto-galaxy. While in our simulations under the presence of a low UV background, we find fragmentation and the formation of various minor seeds. These fragments have masses of 10$^3$ - 10$^4$ M$_{\odot}$. These values are significant if we consider the potential mergers between them, and the fact that these minor objects are formed earlier in cosmic time compared to the massive single seeds. In one of our simulations, we observed gas fragmentation even in the presence of a strong UV intensity. Said structure arose in a dark matter halo that formed after various merger episodes, and the one with the highest spin value. The final mass obtained was $\sim 10^5$ M$_{\odot}$ in this run. From these results, we conclude that fragmentation in fact produces less massive objects, however, they are still prone to merge. In simulations that formed many fragments, they all approach the most massive one with time. We see no uniqueness in the strength of the UV intensity value required to achieve a DCBH, since it depends in other factors like the system dynamics in our cases.

研究の動機と目的

• 直接崩壊ブラックホール（DCBH）モデルによる超大質量ブラックホール種の形成におけるガス破断の役割を調査すること。
• UV背景強度（J21）、ハローのスピン、合体歴の変動が破断および種質量形成に与える影響を評価すること。
• 破断が質量の大きなDCBH種の形成を妨げるのか、あるいは僅かに遅延させるだけなのかを特定すること。
• 理想的でない仮定を越えて、現実的で動的な宇宙論的条件下でのDCBHモデルの頑健性を評価すること。

提案手法

• 高赤方偏移ハロー内のガス力学をモデル化するため、適応メッシュリファインメントを用いた宇宙論的流体力学的シミュレーションを実施する。
• 冷却およびイオン化過程を追跡するため、H、H₂、H⁻、D、He種を含む48反応を含む詳細な化学ネットワークを組み込む。
• H₂の抑制とその破断への影響をテストするため、UV背景強度（J21 = 10 および J21 = 10,000）を変化させる。
• 破断および中心対象形成への影響を評価するため、ハローのスピンと合体歴を追跡する。
• H⁻およびH₂形成へのリマン＝ヴェーナー光子および低エネルギー光子の影響を模擬するため、修正された放射場モデルを適用する。
• 初期構造形成をモデル化するため、自己一貫性のある重力、流体力学、放射移動を備えた3次元宇宙論的シミュレーションフレームワークを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的なUV背景条件下でガスの破断が、質量の大きなDCBH種の形成を妨げるのか？
• RQ2 強いUV放射下にあっても、ハローのスピンと合体歴が破断の発生に与える影響は何か？
• RQ3 破断によって形成された複数の低質量フラグメント（10³–10⁴ M⊙）は、依然として1つの巨大種（約10⁵ M⊙）に合体可能か？
• RQ4 破断を抑制しDCBH形成を可能にするために必要な一意の臨界UV強度（J21）があるのか、それとも他の力学的要因に依存するのか？

主な発見

• 強いUV背景（J21 = 10,000）にさらされた低スピンハローでは、標準的なDCBHモデルに一致する単一の質量約10⁵ M⊙の巨大種が形成される。
• 弱いUV背景（J21 = 10）のシミュレーションでは、H₂の抑制が不十分なため、ガスが複数の10³–10⁴ M⊙の対象に破断する。
• 高J21環境でも、複数回の合体を経て高ス pin を示すハローでは破断が発生し、最終的な種質量は約10⁵ M⊙に達する。
• 低J21のシミュレーションで初期宇宙時代に形成されたフラグメントは、全員が最も質量の大きなものに進化する傾向を示しており、階層的合体の可能性が示唆される。
• 破断を防ぐために必要な臨界UV強度（Jcrit₂₁）は一意ではない。それはハローのスピンや合体歴などの局所的ダイナミクスに依存する。
• 本研究では、破断が巨大種の形成を妨げるわけではないことが示された。複数のフラグメントが時間経過とともに合体して単一の巨大物体に進化することが可能である。