[논문 리뷰] Cosmological simulations of quasar fueling to sub-parsec scales using Lagrangian hyper-refinement

Daniel Anglés‐Alcázar, Eliot Quataert외 8명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 27.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 377인용 수 102

한 줄 요약

이 연구는 라그랑주 하이퍼리파인먼트를 사용하여 퀘이사 질량의 블랙홀 주변에서 0.1 pc 이하의 스케일로 가스 유입을 처음으로 해결한 천체역학적 시뮬레이션을 제시한다. z ≈ 2에서 유입률은 약 ~6 M⊙ yr⁻¹에 도달하며, 이는 다중 척도의 별성 비축대칭성에 의해 유도된 중력 토크에 의해 주도되며, 뜨거운 캐비티 형성으로 인해 매우 변동성이 큰 작동 주기(-duty cycle)를 보이며, 가스가 기울어진, 회전으로 지지되는 가림막 성질의 구조를 형성함을 보여준다.

ABSTRACT

We present cosmological hydrodynamic simulations of a quasar-mass halo ($M_{ m halo} \approx 10^{12.5}\,{ m M}_{\odot}$ at z=2) that for the first time resolve gas transport down to the inner 0.1 pc surrounding the central massive black hole. We model a multi-phase interstellar medium including stellar feedback by supernovae, stellar winds, and radiation, and a hyper-Lagrangian refinement technique increasing the resolution dynamically approaching the black hole. We do not include black hole feedback. We show that the sub-pc inflow rate (1) can reach ~6 M$_{\odot}$yr$^{-1}$ roughly in steady state during the epoch of peak nuclear gas density (z~2), sufficient to power a luminous quasar, (2) is highly time variable in the pre-quasar phase, spanning 0.001-10 M$_{\odot}$yr$^{-1}$ on Myr timescales, and (3) is limited to short (~2 Myr) active phases (0.01-0.1 M$_{\odot}$yr$^{-1}$) followed by longer periods of inactivity at lower nuclear gas density and late times (z~1), owing to the formation of a hot central cavity. Inflowing gas is primarily cool, rotational support dominates over turbulence and thermal pressure, and star formation can consume as much gas as provided by inflows across 1 pc - 10 kpc. Gravitational torques from multi-scale stellar non-axisymmetries dominate angular momentum transport over gas self-torquing and pressure gradients, with accretion weakly dependent on black hole mass. Sub-pc inflow rates correlate with nuclear (but decouple from global) star formation and can exceed the Eddington rate by x10. The black hole can move ~10 pc from the galaxy center on ~0.1 Myr. Accreting gas forms pc-scale, rotationally supported, obscuring structures often misaligned with the galaxy-scale disk. These simulations open a new avenue to investigate black hole-galaxy co-evolution.

연구 동기 및 목표

• 우주론적 맥락에서 퀘이사 질량의 블랙홀 주변에서 0.1 pc 이하의 스케일로 가스가 어떻게 유입되는지를 시뮬레이션하는 것.
• 블랙홀 피드백 없이 kpc에서 0.1 pc 이하 스케일로 가스 운반을 주도하는 물리적 메커니즘을 조사하는 것.
• 블랙홀 연료 공급을 조절하는 데서 별성 피드백, 다상태 은하간 매질, 중력 토크의 역할을 평가하는 것.
• 결과의 수치적 해상도와 중력 소프팅 스킴에 대한 민감도를 테스트하는 것.
• 짧은 시간 스케일에서의 가림막 성질의 구조 형성과 블랙홀의 운동을 탐구하는 것.

제안 방법

• 블랙홀 쪽으로 동적으로 해상도를 증가시키는 라그랑주 하이퍼리파인먼트를 사용한 우주론적 유체역학 시뮬레이션을 수행한다.
• FIRE-2 프레임워크를 사용하여 초신성, 바람, 복사에 의한 별성 피드백을 포함한 다상태 은하간 매질을 모델링한다.
• 적응형 중력 소프팅 스킴과 별성 분할을 적용하여 힘의 해상도와 수치 수렴성을 향상시킨다.
• 1 pc에서 10 kpc 스케일에 걸쳐 가스 유입률, 각운동량 운반, 별 형성률을 추적한다.
• 해상도가 증가함에 따라 하위그리드에서 해결된 입자 수집으로 전환되는 하이브리드 유입 모델을 사용한다.
• 결과의 타당성을 검증하기 위해 여러 수준의 해상도와 수치적 구현 방식에서 수렴성 테스트를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z ≈ 2에서 퀘이사 질량의 블랙홀 내부 0.1 pc 영역으로의 시간 평균 및 시간에 따라 변하는 가스 유입률은 무엇인가?
• RQ2 은하의 가장 내측 영역에서 각운동량 운반을 주도하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 뜨거운 중심 캐비티의 형성이 블랙홀 유입의 작동 주기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 내부 0.1 pc 영역에서 얼마나 많은 정도의 가림막 성질의 구조가 형성되며, 이들은 은하 스케일 디스크와 정렬되어 있는가?
• RQ5 유입률과 블랙홀 성장은 수치적 해상도와 중력 소프팅에 얼마나 민감한가?

주요 결과

• z ≈ 2에서 핵심 영역의 가스 밀도가 최고조에 도달할 때, 0.1 pc 이내의 가스 유입률은 안정 상태에서 약 ~6 M⊙ yr⁻¹에 도달하며, 이는 빛나는 퀘이사를 공급하기에 충분하다.
• 프리-퀘이사 단계에서는 유입률이 매우 변동성이 크며, 수백만 년 스케일에서 0.001–10 M⊙ yr⁻¹의 범위를 가진다.
• 유입은 짧은 활성 단계(~2 Myr) 동안에만 발생하며, 이는 0.01–0.1 M⊙ yr⁻¹의 유입률로 이루어지며, 이후에는 뜨겁고 밀도가 낮은 중심 캐비티 형성으로 인해 정지된다.
• 다양한 척도의 별성 비축대칭성에 의해 발생하는 중력 토크가 각운동량 운반을 주도하며, 블랙홀 질량에 대해 약한 의존성을 보인다.
• 유입률은 에딩턴 한계를 최대 10배까지 초과할 수 있으며, 블랙홀은 약 0.1 Myr 스케일 내에 은하 중심에서 약 10 pc 이동할 수 있다.
• 유입하는 가스는 종종 은하 스케일 디스크와 기울어진, 회전으로 지지되는 가림막 성질의 구조를 형성한다.