[논문 리뷰] Simulating the formation of massive seed black holes in the early Universe. III: The influence of X-rays

Simon C. O. Glover|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 18.

Black Holes and Theoretical Physics참고 문헌 1인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 금속이 없는 원자 냉각 혼합물에서 분자 수소(H$_2$) 형성을 억제하기 위해 필요한 임계 극초단파(UV) 복사장 강도($J_{\rm crit}$)에 고적색 우주 X선 배경($J_{\rm X}$)이 미치는 영향을 조사한다. 직접 붕괴 블랙홀(DCBH) 형성 가능성을 높이기 위해, 반응 기반 화학 네트워크 축소 기법을 사용하여 고X선 복사 강도에서 $J_{\rm crit} \propto J_{\rm X}^{1/2}$임을 발견했으며, 가장 큰 불확실성 원인은 차폐 가정이며, 이는 이온화 단면적 세부 사항에는 민감하지 않지만 수소/헬륨 차폐 길이에 대해서는 민감하다고 밝혔다.

ABSTRACT

The direct collapse black hole (DCBH) model attempts to explain the observed number density of supermassive black holes in the early Universe by positing that they grew from seed black holes with masses of $10^{4}$-$10^{5} \: { m M_{\odot}}$ that formed by the quasi-isothermal collapse of gas in metal-free protogalaxies cooled by atomic hydrogen emission. For this model to work, H$_{2}$ formation must be suppressed in at least some of these systems by a strong extragalactic radiation field. The predicted number density of DCBH seeds is highly sensitive to the minimum value of the ultraviolet (UV) flux required to suppress H$_{2}$ formation, $J_{ m crit}$. In this paper, we examine how the value of $J_{ m crit}$ varies as we vary the strength of a hypothetical high-redshift X-ray background. We confirm earlier findings that when the X-ray flux $J_{ m X}$ is large, the critical UV flux scales as $J_{ m crit} \propto J_{ m X}^{1/2}$. We also carefully explore possible sources of uncertainty arising from how the X-rays are modelled. We use a reaction-based reduction technique to analyze the chemistry of H$_{2}$ in the X-ray illuminated gas and identify a critical subset of 35 chemical reactions that must be included in our chemical model in order to predict $J_{ m crit}$ accurately. We further show that $J_{ m crit}$ is insensitive to the details of how secondary ionization or He$^{+}$ recombination are modelled, but does depend strongly on the assumptions made regarding the column density of the collapsing gas.

연구 동기 및 목표

• 금속이 없는 원자 냉각 혼합물에서 H$_2$ 형성을 억제하기 위해 필요한 임계 극초단파 복사장($J_{\rm crit}$)에 고적색 우주 X선 배경이 미치는 영향을 규명하는 것.
• X선 배경 모델링의 불확실성, 즉 스펙트럼 형태, 이온화 단면적, 차폐 조건에 따른 $J_{\rm crit}$의 민감도를 평가하는 것.
• DCBH 시뮬레이션에서 정확한 $J_{\rm crit}$ 예측을 위해 필요한 최소 화학 반응 집합을 규명하는 것.
• 보조 이온화 및 헬륨 이온(He$^+$) 재결합 처리 방법이 $J_{\rm crit}$에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 기체 열량 밀도 및 차폐 길이에 대한 가정이 예측된 DCBH 종도에 어떤 영향을 미치는지 정량화하는 것.

제안 방법

• X선 및 극초단파 복사 조건에서 H$_2$ 형성과 파괴에 가장 중요한 35개 반응을 분리하기 위해 반응 기반 화학 네트워크 축소 기법을 사용한 1차원 유체역학 시뮬레이션.
• 에너지 의존성 단면적과 스펙트럼 지수($\alpha = 1$에서 $1.8$)를 사용한 X선 광이온화 및 보조 이온화 모델링.
• 붕괴하는 기체 내 X선 차폐에 대한 민감도를 테스트하기 위해 가변 차폐 길이($L_{\rm c} = \lambda_{\rm J}$ 및 $L_{\rm c} = \lambda_{\rm J}/2$)를 구현.
• 표준 H 및 He 광이온화 단면적 피팅을 사용하고, 다양한 파arameterization의 영향을 평가하기 위해 비교 분석.
• 저에너지 절단($h\nu_{\rm min}$) 및 스펙트럼 지수($\alpha$)를 포함한 X선 배경 매개변수를 체계적으로 변형하여 $J_{\rm crit}$에 미치는 영향 평가.
• 이전 연구, 특히 Inayoshi & Tanaka (2015)와의 비교를 통해 모델링 선택에 기인한 차이를 규명하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고적색 우주 X선 배경($J_{\rm X}$) 강도가 DCBH 형성 혼합물에서 H$_2$ 형성을 억제하기 위해 필요한 임계 극초단파 복사 강도($J_{\rm crit}$)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 고X선 복사 강도 영역에서 $J_{\rm crit}$와 $J_{\rm X}$ 사이의 기능적 의존성은 어떠한가?
• RQ3 붕괴하는 기체 내에서 가정된 X선 차폐 길이에 따라 $J_{\rm crit}$는 얼마나 민감한가?
• RQ4 보조 이온화, He$^+$ 재결합, 광이온화 단면적의 불확실성이 예측된 $J_{\rm crit}$에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 스펙트럼 형태의 변화(예: 스펙트럼 지수, 저에너지 절단)가 임계 극초단파 임계치에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 고X선 복사 강도 영역에서 임계 극초단파 복사 강도는 $J_{\rm crit} \propto J_{\rm X}^{1/2}$로 스케일링되며, 이는 이론적 예측을 확인한다.
• 보다 현실적인 차폐 길이 가정($L_{\rm c} = \lambda_{\rm J}$ 대비 $\lambda_{\rm J}/2$)으로 인해 Inayoshi & Tanaka (2015)의 결과보다 예측된 $J_{\rm crit}$가 최대 2배까지 감소한다.
• 정확한 $J_{\rm crit}$ 예측을 위해 최소 35개 반응의 화학 네트워크가 필요하며, 이는 Glover (2015a)의 26개 반응에 더해 강한 X선 조사 조건에서 추가로 9개의 반응이 포함된다.
• 적절한 피팅을 사용할 경우 H 및 He 광이온화 단면적의 파arameterization 선택에 따라 $J_{\rm crit}$ 값은 민감하지 않다.
• 모델링 조건 하에서 전하 이동이 주요 손실 경로이므로, He$^+$ 재결합 처리 방법의 차이는 결과에 영향을 주지 않는다.
• 보조 이온화 처리 방법에 따른 $J_{\rm crit}$의 변화는 약간이지만, 차폐 길이와 X선 스펙트럼 형태에 대해 매우 민감하며, 스펙트럼 지수의 변화로 인해 고$J_{\rm X}$ 영역에서 $J_{\rm crit}$가 최대 50%까지 변동한다.