[論文レビュー] Top-heavy stellar mass distribution in galactic nuclei inferred from the universally high abundance ratio of [Fe/Mg]

Daisuke Toyouchi, Kohei Inayoshi+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 93被引用数 22

ひとこと要約

本稿では、活動銀河核（AGN）円盤における初期質量関数（IMF）が、Γ ≳ −1 で高質量端の切り捨てが Mmax ≃ 100–150 M⊙（Γ ≳ 0 の場合 Mmax ≳ 250 M⊙）であるトップヘビーなIMFが、高赤方偏移クェเซアの普遍的な高い [Fe/Mg] ≳ 0.2 の観測を説明すると提案している。このようなIMFは、質量の大きな核心崩壊型およびペア不安定性超新星（PISNe）によって鉄の生産を強化し、10 Myr未満の短時間で化学的豊度が高まるのを可能にし、z ≲ 3 におけるLIGO/Virgoの二重ブラックホール合体率と整合的である。

ABSTRACT

Recent observations of active galactic nuclei (AGNs) have shown a high Fe~II/Mg~II line-flux ratio in their broad-line regions, nearly independent of redshift up to $z \gtrsim 6$. The high flux ratio requires rapid production of iron in galactic nuclei to reach an abundance ratio of ${ m [Fe/Mg]} \gtrsim 0.2$ as high as those observed in matured galaxies in the local universe. We propose a possible explanation of rapid iron enrichment in AGNs by massive star formation that follows a top-heavy initial mass function (IMF) with a power-law index of $\Gamma$ larger than the canonical value of $\Gamma=-2.35$ for a Salpeter IMF. Taking into account metal production channels from different types of SNe, we find that the high value of ${ m [Fe/Mg]} \gtrsim 0.2$ requires the IMF to be characterized with $\Gamma \gtrsim -1$ ($\Gamma \gtrsim 0$) and a high-mass cutoff at $M_{ m max} \simeq 100$--$150~{ m M_\odot}$ $(M_{ m max} \gtrsim 250~{ m M_\odot})$. Given the conditions, core-collapse SNe with $M_\ast \gtrsim 70~{ m M_\odot}$ and pair-instability SNe give a major contribution for iron enrichment. Such top-heavy stellar IMFs would be a natural consequence from mass growth of stars formed in dense AGN disks under Bondi-like gas accretion that is regulated by feedback at $M_\ast \gtrsim 10~{ m M_\odot}$. The massive stellar population formed in AGN disks also leave stellar-mass black hole remnants, whose mergers associated with gravitational-wave emission account for at most 10 \% of the merger rate inferred from LIGO/Virgo observations to simultaneously explain the high ${ m [Fe/Mg]}$ ratio with metal ejection.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移クェーサー（z ≳ 6）のバルクライン領域（BLRs）で観測された普遍的な高い [Fe/Mg] ≳ 0.2 の元素比を説明すること。これは標準的な化学進化モデルと矛盾する。
• 質量の大きな星からの金属産出量を通じて観測された [Fe/Mg] 比を再現できる星の初期質量関数（IMF）パラメータ（Γ と Mmax）を特定すること。
• 密度の高いAGN降着円盤内でのボンドィ的降着とフィードバックによる制御が、どのように自然にトップヘビーなIMFを形成できるかを調査すること。
• トップヘビーなIMF仮説に基づく二重ブラックホールの宇宙的合体率を計算し、重力波天文学への影響を評価すること。

提案手法

• 研究では、NKT13 および UN08 の星の産出量テーブルを用い、10 ≤ M∗/M⊙ ≤ 260 の前身星質量に対して、核心崩壊型およびペア不安定性超新星（PISNe）による鉄とマグネシウムの生成を焦点とする。
• IMF全体の質量加重平均産出量をモデル化し、[Fe/Mg] ≳ 0.2 を再現できるように、指数型パワーロウの指数 Γ と高質量端の切り捨て Mmax を変化させる。
• M∗ ≳ 10 M⊙ で放射および力学的フィードバックによって制御されるボンドィ的降着を仮定した時間依存的星質量増加モデルを適用し、トップヘビーなIMFを導出する。
• 二重ブラックホールの宇宙的合体率を、内側のBLR（r < 0.1 pc）ではトップヘビーなIMF、外側領域（0.1 pc < r < 10 pc）ではSalpeter IMFを仮定して計算し、LIGO/Virgoの観測結果と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移クェーサーのBLRsで観測された [Fe/Mg] ≳ 0.2 を再現するためには、どのようなIMFパラメータ（Γ と Mmax）が必要か？
• RQ2 降着とフィードバックによる制御が、AGNの密度の高い自己重力支配の円盤内で、どのように自然にトップヘビーなIMFを形成できるか？
• RQ3 このようなトップヘビーなIMF下で、質量の大きな核心崩壊型およびペア不安定性超新星が鉄の豊度向上にどれほど寄与するか？
• RQ4 トップヘビーなIMF仮説に基づくAGN円盤内での二重ブラックホールの予想される宇宙的合体率は何か？また、LIGO/Virgoの観測結果とどう一致するか？
• RQ5 今後のLSST観測によって、z ≲ 2 におけるPISNeの観測が可能となり、トップヘビーなIMF仮説を検証できるか？

主な発見

• 高赤方偏移クェーサーのBLRsで観測された [Fe/Mg] ≳ 0.2 を再現するには、Γ ≳ −1 で Mmax ≃ 100–150 M⊙ のIMFが必要である。
• Mmax ≳ 250 M⊙ で Γ ≳ 0 のより高い質量のIMFも、[Fe/Mg] の制約を満たしており、非常に質量の大きな星が鉄の豊度向上に不可欠であることを示唆している。
• これらのIMF下で、M∗ ≳ 70 M⊙ の核心崩壊型超新星と、M∗ ≃ 220–260 M⊙ のペア不安定性超新星（PISNe）が鉄の豊度向上の主な寄与者である。
• M∗ ≳ 10 M⊙ で放射および力学的フィードバックによって制御されるボンドィ的降着により、AGN円盤内に自然にトップヘビーなIMFが形成される。
• AGN円盤から予想される二重ブラックホールの合体率は、z ≲ 3 においてLIGO/Virgoの観測結果と整合的であり、現在の合体率の最大10%を占める可能性がある。
• このモデルは、z ≲ 2 におけるPISNeの高い検出率を示唆しており、近い将来のLSST調査によって検証可能である。