[논문 리뷰] Formation of Nuclear Disks and Supermassive Black Hole Binaries in Multi-Scale Hydrodynamical Galaxy Mergers

Lucio Mayer, Stelios Kazantzidis외 1명|ArXiv.org|2008. 07. 22.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 다중 스케일 유체역학적 시뮬레이션을 사용하여, 병합 중 은하에서 tidal 토크가 빠른 가스 유입을 유도하고, 이로 인해 초거대 브라운홀(SMBH) 이중성의 형성이 100만 년 이내에 가능해지는 밀도 높은 핵 디스크를 형성함을 보여준다. 시뮬레이션 결과, 강한 복사 피드백은 이중성 형성을 억제하는 반면, 고해상도 모델(0.1 pc)은 나선형 다리를 통한 운동량 수송이 중심 클러스터(~10⁸ M☉) 형성으로 이어지고, 이로 인해 SMBH들이 동역학적 마찰 감소로 인해 약 1 pc 간격에서 정지하게 됨을 시사한다.

ABSTRACT

(Abridged) We review the results of the first multi-scale, hydrodynamical simulations of mergers between galaxies with central supermassive black holes (SMBHs) to investigate the formation of SMBH binaries in galactic nuclei. We demonstrate that strong gas inflows produce nuclear disks at the centers of merger remnants whose properties depend sensitively on the details of gas thermodynamics. In numerical simulations with parsec-scale spatial resolution in the gas component and an effective equation of state appropriate for a starburst galaxy, we show that a SMBH binary forms very rapidly, less than a million years after the merger of the two galaxies. Binary formation is significantly suppressed in the presence of a strong heating source such as radiative feedback by the accreting SMBHs. We also present preliminary results of numerical simulations with ultra-high spatial resolution of 0.1 pc in the gas component. These simulations resolve the internal structure of the resulting nuclear disk down to parsec scales and demonstrate the formation of a central massive object (~ 10^8 Mo) by efficient angular momentum transport. This is the first time that a radial gas inflow is shown to extend to parsec scales as a result of the dynamics and hydrodynamics involved in a galaxy merger, and has important implications for the fueling of SMBHs. Due to the rapid formation of the central clump, the density of the nuclear disk decreases significantly in its outer region, reducing dramatically the effect of dynamical friction and leading to the stalling of the two SMBHs at a separation of ~1 pc. We discuss how the orbital decay of the black holes might continue in a more realistic model which incorporates star formation and the multi-phase nature of the ISM.

연구 동기 및 목표

• 다중 스케일 유체역학적 시뮬레이션을 사용하여 은하 병합 중 초거대 브라운홀(SMBH) 이중성의 형성 원리를 탐구하기.
• 가스 유입과 핵 디스크 구조가 SMBH 궤도 감속과 이중성 형성에 미치는 영향을 규명하기.
• 동역적 마찰 효율성과 이중성 경화에 영향을 미치는 복사 피드백과 항성 형성의 영향 평가하기.
• 고해상도 가스 역학이 운동량 수송과 중심 질량 농축을 가능하게 하는 역할 탐색하기.
• 동역적 마찰 감소로 인해 SMBH 이중성이 파섹 스케일 간격에서 정지하는 조건 이해하기.

제안 방법

• 수백 킬로파섹에서 파섹 이하 스케일(0.1 pc 해상도)까지의 동적 범위를 포함하는 N-body + 스무스드 파article 유체역학(SPH) 시뮬레이션 수행.
• 스타바스트 은하에 적합한 효과적 상태방정식을 포함한 다상태 간성매질(ISM) 모델 사용, 냉각 및 가열 과정 포함.
• 핵 디스크에서의 가스 소모를 모의하기 위해, T_orb ≈ 10⁶ yr(25 pc에서), 0.3 × M_gas / T_orb 비율의 항성 형성률 적용.
• 가스 유입과 이중성 형성 억제 여부 평가를 위해, 가스를 합성하는 SMBH로부터의 복사 피드백 적용.
• 밀려는 은하(초기 조건: M_vir = 10¹² M☉, c = 12, λ = 0.031)를 기반으로 한 은하 병합 시뮬레이션 수행, 항성 디스크, 부울, NFW 어두운 물질 망원 포함.
• 핵 디스크 내부 구조를 해석하고 나선형 다리를 통한 운동량 수송을 추적하기 위해 고해상도 시뮬레이션(0.1 pc) 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 병합 중 은하에서 tidal 토크는 어떻게 파섹 스케일의 핵 디스크를 형성하기 위해 가스를 유입시키는가?
• RQ2 병합 잔여물에서 SMBH 이중성의 빠른 형성에 기여하는 기체 마찰의 역할은 무엇인가?
• RQ3 가스를 합성하는 SMBH로부터의 복사 피드백은 SMBH 이중성 형성에 어떻게 억제 작용하는가?
• RQ4 핵 디스크 내 항성 형성은 디스크를 얼마나 안정화시키고, 가스 유입에 영향을 미치며, 이중성 진화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 왜 SMBH 이중성은 약 1 pc 간격에서 정지하는가? 다상태 ISM과 항성 형성을 포함한 더 현실적인 모델에서는 이러한 정지 상태를 극복할 수 있는가?

주요 결과

• SMBH 이중성은 병합 후 100만 년 이내에 타원형 토크에 의해 형성된 밀도 높은 핵 디스크에서 강한 가스 마찰로 인해 형성된다.
• 가스를 합성하는 SMBH로부터의 강력한 복사 피드백은 가스 유입을 크게 억제하고 이중성 형성을 저지한다.
• 고해상도 시뮬레이션(0.1 pc)은 핵 디스크의 나선형 다리가 효율적인 운동량 수송을 가능하게 하며, 중심 클러스터(~10⁸ M☉) 형성으로 이어짐을 시사한다.
• 질량이 큰 중심 클러스터 형성으로 인해 외부 디스크의 가스 표면 밀도가 감소하고, 동역적 마찰이 감소하여 SMBH들이 약 1 pc 간격에서 정지하게 된다.
• 내부 몇 파섹 내 항성 형성은 가스의 상당 부분을 소모시키며, 디스크의 Toomre Q 파라미터를 증가시켜 안정화시키고, 이로 인해 나선형 구조가 약화되고 유입이 감소한다.
• 다양한 상태의 ISM과 항성 형성을 포함한 더 현실적인 모델에서는 SMBH 궤도 감속이 계속될 수 있으며, 이는 1 pc 이상의 추가 경화를 가능하게 할 수 있다.