[논문 리뷰] Local Black Hole Scaling Relations Imply Compton Thick or Super Eddington Accretion

Gregory S. Novak|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 14.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 수정된 국소 블랙홀 스케일링 관계—은하수의 질량에 비해 블랙홀 질량의 정규화를 0.1%에서 0.5%로 증가시킨 것—이 얇은 디스크 모델에서 예상하는 최소값보다 훨씬 낮은 평균 복사 효율을 암시하며, 이는 부족한 질량 예산을 설명하기 위해 콜롬브 두꺼운 은폐 또는 초-Eddington 질량 증착이 필요하다는 것을 의미한다. 주요 결과는 초-Eddington 질량 증착이 z=7 준성좌의 급속한 성장과의 괴리를 해결하는 데 강력히 유리하다는 것이다.

ABSTRACT

A recent analysis of black hole scaling relations, used to estimate the local mass density in black holes, has indicated that the normalization of the scaling relations should be increased by approximately a factor of five. The local black hole mass density is connected to the mean radiative efficiency of accretion through the time integral of the quasar volume density. The correspondence between this estimate of the radiative efficiency and that expected theoretically from thin-disk accretion has long been used as an argument that most of the growth in black holes occurs via luminous accretion. The increase of the mass density in black holes pushes the mean observed radiative efficiency to values below that expected for thin-disk accretion for any value of the black hole spin, including retrograde accretion disks. This can be accommodated via black hole growth channels that are intrinsically radiatively inefficient, such as super-Eddington accretion, or via growth channels that are intrinsically radiatively efficient but for which few of the photons are observed, such as Compton thick accretion. Measurements of the 30 keV peak in the X-ray background indicate a significant population of Compton thick sources which can explain some, but not all, of the change in the local black hole mass density. If this result is taken as evidence that super-Eddington accretion is common, it greatly reduces the tension associated with the growth timescale of observed z=7 quasars compared to the age of the universe at that redshift.

연구 동기 및 목표

• Kormendy & Ho (2013)의 업데이트된 스케일링 관계를 바탕으로 국소 블랙홀 질량 밀도 재평가
• 관측된 평균 복사 효율이 얇은 디스크 질량 증착에 대한 이론적 기대와 일치하는지 평가
• 콜롬브 두꺼운 또는 초-Eddington 질량 증착이 관측된 효율과 기대 효율 간의 괴리 문제를 어떻게 설명할 수 있는지 결정
• 고적색도 z=7 준성좌의 성장 시간스케일 간의 괴리를 해결

제안 방법

• M_BH–M_bulge 관계의 정규화를 업데이트하여 국소 블랙홀 질량 밀도 재수정 (0.1%에서 0.5%로)
• Soltan의 논리를 적용하여 시간적으로 통합된 준성좌 휘도 함수를 국소 블랙홀 질량 함수와 연결
• 통합된 휘도 밀도와 국소 질량 밀도의 비율로부터 평균 복사 효율 계산
• 유도된 평균 효율을 얇은 디스크 질량 증착에 대한 이론적 한계(3.7%에서 42%)와 비스핀 블랙홀의 경우(5.7%)와 비교
• X선 배경의 30 keV 피크를 활용해 콜롬브 두꺼운 소스 기여 평가
• 초-Eddington 질량 증착이 관측된 복사 효율 부족을 어떻게 설명할 수 있는지 평가

실험 결과

연구 질문

• RQ1 업데이트된 스케일링 관계를 바탕으로 국소 블랙홀 질량 밀도의 재평가된 추정치는 무엇인가요?
• RQ2 유도된 평균 복사 효율이 얇은 디스크 질량 증착에 대한 이론적 최소값 이하에 떨어지는가요?
• RQ3 콜롬브 두꺼운 질량 증착만으로 복사 효율의 괴리 문제를 충분히 설명할 수 있는가요?
• RQ4 관측된 질량 밀도와 질량 증착 물리학 간의 괴리를 조율하기 위해 초-Eddington 질량 증착이 필수적인가요?
• RQ5 수정된 효율은 z=7 준성좌의 성장 시간스케일에 어떤 영향을 미치는가요?

주요 결과

• M_BH–M_bulge 정규화를 0.1%에서 0.5%로 수정함에 따라 국소 블랙홀 질량 밀도가 다섯 배 증가한다.
• 유도된 평균 복사 효율이 6.5%에서 1.3%로 감소하여 비스핀 블랙홀의 경우 이론적 최소값 5.7% 이하로 떨어진다.
• 콜롬브 두꺼운 질량 증착만으로는 관측된 복사 효율의 부족을 충분히 설명할 수 없으며, X선 배경 데이터에 따르면 이는 다섯 배 증가의 일부만 설명 가능하다.
• 낮은 효율은 대부분의 블랙홀 성장이 본질적으로 복사 효율이 낮거나 관측적으로 숨겨진 질량 증착 모드를 통해 일어난다는 것을 암시한다.
• 초-Eddington 질량 증착은 관측된 낮은 효율을 설명하고 z=7 준성좌의 시간스케일 괴리를 해결하는 데 강력히 유리한 메커니즘이다.
• 초-Eddington 질량 증착의 증거는 z=7 준성좌의 필요 성장 시간스케일을 크게 줄여, 그 적색도 시점의 우주의 나이와 일치시키는 데 기여할 것이다.