[논문 리뷰] How the super-Eddington regime regulates black hole growth in high-redshift galaxies

Warren Massonneau, Marta Volonteri외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 21.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 초광도도를 초월하는 질량 합성과 관련된 제트 피드백이 고적색도 은하에서 블랙홀(BH) 성장을 어떻게 조절하는지 고해상도 유체역학 시뮬레이션을 통해 조사한다. 초광도도를 초월하는 피드백은 강력한 제트에 의해 가스를 밀어내면서 BH 성장을 빠르게 자가조절하는 반면, 약한 제트 피드백은 더 자주 초광도도를 초월하는 사건을 허용하여 약간 더 빠른 BH 질량 성장을 가능하게 하며, 8000만 년 동안 Eddington 제한된 합성보다 약 15% 더 많은 질량 성장을 이룬다.

ABSTRACT

Super-Eddington accretion is one scenario that may explain the rapid assembly of $\sim 10^9 m\, M_\odot$ supermassive black holes (BHs) within the first billion year of the Universe. This critical regime is associated with radiatively inefficient accretion and accompanied by powerful outflows in the form of winds and jets. By means of hydrodynamical simulations of BH evolution in an isolated galaxy and its host halo with 12 pc resolution, we investigate how super-Eddington feedback affects the mass growth of the BH. It is shown that super-Eddington feedback efficiently prevents BH growth within a few Myr. The super-Eddington accretion events remain relatively mild with typical rates of about 2-3 times the Eddington limit, because of the efficient regulation by jets in that regime. We find that these jets are powerful enough to eject gas from the centre of the host galaxy all the way up to galactic scales at a few kpc, but do not significantly impact gas inflows at those large scales. By varying the jet feedback efficiency, we find that weaker super-Eddington jets allow for more significant BH growth through more frequent episodes of super-Eddington accretion. We conclude that effective super-Eddington growth is possible, as we find that simulations with weak jet feedback efficiencies provide a slightly larger BH mass evolution over long periods of time ($\sim 80\, m Myr$) than that for a BH accreting at the Eddington limit.

연구 동기 및 목표

• 초광도도를 초월하는 질량 합성과 피드백이 고적색도 은하에서 블랙홀 성장을 어떻게 조절하는지 이해하기 위해.
• 제트 피드백이 초광도도를 초월하는 질량 합성 기간의 지속 시간과 빈도를 어떻게 조절하는지 평가하기 위해.
• 강력한 피드백에도 불구하고 초광도도를 초월하는 질량 합성이 블랙홀 질량 성장에 기여할 수 있는지 확인하기 위해.
• 초광도도를 초월하는 피드백이 10pc에서 수 킬로파섹에 이르는 스케일에서 가스 유입과 유출에 어떤 영향을 미치는지 검토하기 위해.

제안 방법

• 중앙에 10^6 M⊙ 블랙홀이 있는 고립된 고적색도 은하에 대해 12pc 해상도의 유체역학 시뮬레이션을 수행하였다.
• RAMSES 코드를 수정하여 Eddington 한계를 제거하고 동역학적(제트) 및 열 피드백을 구현하였다.
• 다양한 피드백 제도를 시뮬레이션: 초광도도를 초월하는 제트를 포함한 경우('sEdd'), 초광도도를 초월하는 열 피드백 전용인 경우('sEddThm'), Eddington 제한된 질량 합성인 경우.
• 제트 피드백 효율성을 변화시켜 BH 성장과 가스 역학에 미치는 영향을 연구하였다.
• 10pc에서 킬로파섹 스케일에 걸쳐 BH 질량 변화, 가스 밀도, 온도, 유출 특성 등을 추적하였다.
• 시뮬레이션 출력물의 시각화 및 분석에 yt를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강력한 피드백에도 불구하고 초광도도를 초월하는 질량 합성은 고적색도 은하에서 블랙홀 질량 성장을 의미 있는 정도로 이끌 수 있는가?
• RQ2 제트 피드백과 열 피드백은 초광도도를 초월하는 질량 합성의 지속 시간과 빈도를 어떻게 비교하여 조절하는가?
• RQ3 초광도도를 초월하는 제트는 은하 스케일(kpc)에서 가스 유입에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 BH 스핀 또는 MAD 상태에 따라 의존하는 제트 피드백 효율은 BH 성장에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 초광도도를 초월하는 피드백의 순수 효과는 블랙홀 성장의 자가조절에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 강력한 제트가 존재할 경우 초광도도 피드백은 몇 백만 년 내에 자가조절되며, BH는 초광도도 상태에 머무르는 시간이 1% 미만이 된다.
• 가장 강력한 초광도도를 초월하는 사건은 Eddington 한계의 2~3배에 도달하며, 이후 급격히 Eddington 이하 상태로 떨어진다.
• 약한 제트 피드백은 더 자주 초광도도를 초월하는 사건을 허용하여, 제트가 없는 시뮬레이션에서는 이 상태에 머무는 총 시간이 최대 70%까지 증가한다.
• 강력한 제트는 은하 중심에서 수 킬로파섹까지 가스를 밀어내어 BH 주변의 가스 밀도를 수 개의 순위만큼 감소시키지만, 약한 열 피드백은 국소적인 뜨거운 기포만 형성한다.
• 킬로파섹 스케일에서 제트가 은하 디스크와 수직일 경우, 가스 유입을 크게 방해하지 않으며 약 10^3 km/s의 지속적인 유출이 가능하다.
• 가장 약한 제트 피드백 조건에서도 8000만 년 동안 Eddington 제한된 합성보다 약 15% 더 많은 BH 질량 성장을 기록하여, 극한의 초광도도 성장 가능성은 제한되어 있음을 시사한다.