[논문 리뷰] Origin and Evolution of Massive Black Holes in Galactic Nuclei

R. D. Blandford|arXiv (Cornell University)|1999. 06. 01.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 은하 핵에 위치한 거대 블랙홀이 고적색도(z > 2)에서 활성 단계 동안 복사에 의해 지배받고 수요 제한(accrretion)을 받는 방식으로 성장했으며, 약 4000만 년의 e-감쇠 시간스케일(e-folding timescale)을 가졌다고 제안한다. 이는 대부분의 국소 블랙홀 질량이 오늘날 관측되지 않는 빛나는 AGN에서 형성되었음을 시사하며, 블랙홀 성장과 은하 및 퀘이사 집단의 진화 간의 연관성을 제시한다.

ABSTRACT

Beyond all reasonable doubt, black holes are commonly found in the nuclei of most normal galaxies. In recent years, dynamical measurements of hole masses have transformed the study of their functioning and evolution. In particular, relating their masses, as measured contemporaneously, to the properties of distant quasars can constrain models of the combined evolution of black holes and their host galaxies. It is suggested that black hole growth is radiation-dominated and demand-limited with an e-folding time of $\sim40$ Myr and that most local black hole mass was assembled in AGN with redshifts, z>2, whose counterparts are not directly observed today. Black hole binaries have additional features and observable consequences.

연구 동기 및 목표

• 은하 핵 내 거대 블랙홀의 기원과 진화 역사를 이해하는 것.
• 멀리 떨어진 퀘이사의 관측된 성질과 국소 은하의 성질과 블랙홀 질량 성장을 연결하는 것.
• 특히 활성 은하핵(AGN)에서 블랙홀 성장을 이끄는 연료 공급 메커니즘을 규명하는 것.
• 오늘날 관측 가능한 대응체가 없음에도 불구하고 대부분의 국소 블랙홀 질량이 고적색도(z > 2)에서 형성된 이유를 설명하는 것.
• 블랙홀 이중성의 존재가 은하핵의 관측 가능한 진화에 미치는 영향을 분석하는 것.

제안 방법

• 국소 은하의 블랙홀에서의 천체역학적 질량 측정을 분석하여 과거 성장을 추론한다.
• 멀리 떨어진 퀘이사의 빛의 세기와 적색편이 분포와 동시대 블랙홀 질량을 비교하여 연료 공급 역사를 제약 조건으로 설정한다.
• 복사에 의해 지배받고 수요 제한을 받는 방식으로 블랙홀 성장을 모델링하며, 약 4000만 년의 e-감쇠 시간스케일을 가진다.
• AGN 및 퀘이사 집단의 관측 제약 조건을 활용하여 블랙홀 질량 집합의 피크 시기를 추론한다.
• 은하핵 내 블랙홀 이중성의 관측 가능한 결과, 즉 천체역학적 및 복사적 영향을 고려한다.
• 블랙홀 진화와 은하 공진화를 연결하기 위해 연료 공급 물리학 이론 프레임워크를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하 핵 내 거대 블랙홀의 성장을 이끈 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 대부분의 블랙홀 질량이 어느 적색편이에서 집합되었으며, 그에 해당하는 AGN는 오늘날 직접 관측되지 않는 이유는 무엇인가?
• RQ3 관측된 퀘이사 빛의 세기 함수는 블랙홀 연료 공급 역사를 어떻게 제약하는가?
• RQ4 블랙홀 이중성은 은하핵의 관측 가능한 진화에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 국소 블랙홀 질량는 고적색도 퀘이사의 성질과 어떻게 조화를 이룰 수 있는가?

주요 결과

• 대부분의 국소 블랙홀 질량은 오늘날 직접 관측되지 않는 적색편이 z > 2에서 형성되었다.
• 블랙홀 성장은 복사에 의해 지배받고 수요 제한을 받는 것으로 가장 잘 기술되며, 약 4000만 년의 e-감쇠 시간스케일을 가진다.
• 블랙홀 질량과 은하의 성질 간의 관측된 상관관계는 고적색도 AGN 단계 동안의 연료 공급에 의해 설명될 수 있다.
• 오늘날 고적색도 AGN의 직접적인 대응체가 없는 것은 가장 질량이 큰 블랙홀들이 형성된 후 침체 상태에 들어갔음을 시사한다.
• 블랙홀 이중성은 주기적인 변화 및 중력파 방출과 같은 추가적인 관측 가능한 특징을 유도하며, 이는 과거 성장 단계에 대한 간접적 증거가 될 수 있다.
• 모델은 z > 2에서의 폭발적 성장 단계를 통해 국소 블랙홀의 높은 질량과 먼 퀘이사의 빛의 세기 함수 간의 모순을 해소한다.