[논문 리뷰] Seeds Don't Sink: Even Massive Black Hole "Seeds" Cannot Migrate to Galaxy Centers Efficiently

Linhao Ma, Philip F. Hopkins외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 07.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 9인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고해상도 천체역학 시뮬레이션과 새로운 동역학 마찰 추정기법을 사용하여 고적도 은하에서 거대 블랙홀 씨앗의 동역적 이동을 조사한다. $10^8\,M_\odot$ 이하의 씨앗은 난류적이고 덩어리진 환경으로 인해 은하 중심으로 효율적으로 침강하지 못함을 발견하였으며, 이는 씨앗이 자연스럽게 중심의 잠재적 최소점으로 이동한다는 가정에 도전한다. 이는 높은 밀도의 별 집합체나 수많은 씨앗이 존재하는 극단적 조건이 아닌 한, 효율적인 포획이 불가능하다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Possible formation scenarios of supermassive black holes in the early universe include rapid growth from less massive seed black holes (BHs) via super-Eddington accretion or runaway mergers, yet both of these scenarios would require seed BHs to efficiently sink to and be trapped in the galactic center via dynamical friction. This may not be true for their complicated dynamics in clumpy high-$z$ galaxies. In this work we study this "sinking problem" with state-of-the-art high-resolution cosmological simulations, combined with both direct $N$-body integration of seed BH trajectories and post-processing of randomly generated test particles with a newly developed dynamical friction estimator. We find that seed BHs less massive than $10^8\,M_\odot$ (i.e., all but the already-supermassive seeds) cannot efficiently sink in typical high-$z$ galaxies. We also discuss two possible solutions: dramatically increasing the number of seeds such that one seed can end up trapped in the galactic center by chance, or seed BHs being embedded in dense structures (e.g. star clusters) with effective masses above the mass threshold. We discuss the limitations of both solutions.

연구 동기 및 목표

• 저질량 블랙홀 씨앗이 난류적이고 덩어리진 고적도 은하에서 중심으로 효율적으로 이동할 수 있는지 조사한다.
• 초거대 블랙홀 형성 시나리오에서의 핵심적 장애물인 '침강 문제'를 해결한다. 이는 씨앗이 빠르게 성장하기 위해 밀도가 높은 중심 영역에 도달해야 한다는 점을 뜻한다.
• 두 가지 잠재적 해결책의 실현 가능성을 평가한다: 많은 수의 씨앗이 중심 포착 확률을 높이거나, 고효율 질량을 가진 구조체에 둘러싸인 씨앗이 중심에 포획될 수 있는지 여부.
• 깊고 안정적인 중심 잠재적 우물이 형성되는 시기와 조건을 평가한다. 이는 씨앗이 포획될 수 있는 조건을 결정하기 때문이다.
• 이동이 킬로파섹 스케일에서 멈추는 상황에서, 라이사(LISA)가 고적도 초거대 블랙홀 융합을 탐지할 수 있는 잠재적 영향을 고려한다.

제안 방법

• 별 형성과 항성 피드백을 해상도 있게 반영한 고적도 은하의 고해상도 천체역학 시뮬레이션을 수행한다.
• 직접 N체 적분을 사용하여 난류적이고 덩어리진 환경에서 동역학 마찰에 의해 영향을 받는 개별 씨앗 블랙홀 궤적을 추적한다.
• 복잡하고 시간에 따라 변하는 은하 잠재력에서 시험 입자의 감속을 모델링하기 위해 후처리 동역학 마찰 추정기를 구현한다.
• 효율적 침강을 위해 필요한 효과적 질량 임계값을 분석하고, 씨앗 블랙홀의 본질적 질량와 비교한다.
• 은하 잠재력 우물과 중심 질량 농축의 진화를 시뮬레이션하여 안정적인 중심 최소값이 언제, 어떤 조건에서 형성되는지 평가한다.
• 다양한 씨앗 질량과 은하 유형 간의 결과를 비교하며, 고기체율과 번갈아가는 별 형성 특성을 보이는 $z \gtrsim 7$ 시스템에 집중한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 난류적이고 덩어리진 고적도 은하에서 저질량 블랙홀 씨앗($< 10^8\,M_\odot$)이 중심으로 효율적으로 침강할 수 있는가?
• RQ2 고-$z$ 은하에서 깊고 안정적인 중심 잠재력 우물은 어느 적도에서 형성되며, 이 시기와 조건이 씨앗 포획에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 난류적이고 고적도 환경에서 블랙홀이 효율적으로 침강하기 위해 필요한 효과적 동역학 질량 임계값은 얼마인가?
• RQ4 많은 수의 씨앗이 존재하는 은하에서, 랜덤하게 중심에 포획될 확률은 얼마나 되는가?
• RQ5 씨앗 주변의 고밀도 별 집합체가 효율적 침강과 조기 중심 포획을 가능하게 할 정도로 충분한 효과적 질량을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 질량이 $10^8\,M_\odot$ 이하인 씨앗 블랙홀은 일반적인 고적도 은하에서 난류적이고 덩어리진 동역학으로 인해 중심으로 효율적으로 침강하지 못한다.
• 심지어 질량이 큰 씨앗($\gtrsim 10^8\,M_\odot$)이라도 침강하는 경우, 하위킬로파섹 스케일의 중심에 도달하지 못하고 킬로파섹 스케일에서 이동이 멈춘다.
• 씨앗을 포획할 수 있는 깊은 중심 잠재력 우물은 $z \lesssim 9$에서만 형성되며, 이는 고금속도($\gtrsim 0.1\,Z_\odot$)의 기체와 별과 관련된다.
• 이러한 깊은 잠재력 우물의 형성 시점은 인위적 형성 또는 인위적 붕괴를 통해 형성된 씨앗이 포획될 수 있도록 하기에 너무 늦게 일어나며, 일반적인 씨앗 형성 모델의 타당성을 떨어뜨린다.
• 씨앗 수가 크게 증가하지 않는 한, 많은 수의 씨앗이 존재하는 은하에서 랜덤 포획 확률은 무시할 만큼 낮다.
• 밀도 높은 별 집합체에 둘러싸인 씨앗은 효율적 침강을 가능하게 할 정도로 충분한 효과적 동역학 질량을 확보할 수는 있으나, 이는 아직 완전히 모델링되지 않은 조건을 필요로 한다.