[논문 리뷰] The formation and evolution of massive black hole seeds in the early Universe

Priyamvada Natarajan|arXiv (Cornell University)|2011. 04. 25.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 고적색도의 어둠성 물질 허브에서 초기 가스 디스크의 직접 붕괴를 통해 거대 블랙홀 씨앗의 형성과 진화를 조사하며, 몬테카를로 융합 트리 방법을 사용해 블랙홀 질량의 집적을 추적한다. 이는 고스피닝, 고질량 허브에서 씨앗이 선호적으로 형성되며, 저질량, 복합체가 없는 은하에서 낮은 점유율을 초래하고 국소적 $M_{\rm bh}-\sigma$ 관계의 낮은 질량 끝에서 뚜렷한 특징을 보이며, 씨앗 형성 효율성과 모델 간 관측적 구별에 강력한 함의를 가짐을 예측한다.

ABSTRACT

Tracking the evolution of high redshift seed black hole masses to late times, we examine the observable signatures today. These massive initial black hole seeds form at extremely high redshifts from the direct collapse of pre-galactic gas discs. Populating dark matter halos with seeds formed in this fashion, we follow the mass assembly history of these black holes to the present time using a Monte-Carlo merger tree approach. Utilizing this formalism, we predict the black hole mass function at high redshifts and at the present time; the integrated mass density of black holes in the Universe; the luminosity function of accreting black holes as a function of redshift and the scatter in observed, local M-sigma relation. Comparing the predictions of the `light' seed model with these massive seeds we find that significant differences appear predominantly at the low mass end of the present day black hole mass function. However, all our models predict that low surface brightness, bulge-less galaxies with large discs are least likely to be sites for the formation of massive seed black holes at high redshifts. The efficiency of seed formation at high redshifts has a direct influence on the black hole occupation fraction in galaxies at z=0. This effect is more pronounced for low mass galaxies. This is the key discriminant between the models studied here and the Population III remnant `light' seed model. We find that there exists a population of low mass galaxies that do not host nuclear black holes. Our prediction of the shape of the M-sigma relation at the low mass end and increased scatter has recently been corroborated by observations.

연구 동기 및 목표

• 초기 우주에서 전기 은하 허브 내의 초기 가스 디스크의 직접 붕괴를 통해 거대 블랙홀 씨앗의 형성과 진화를 모델링하기 위해.
• 고적색도에서의 씨앗 형성 효율이 $z=0$ 시점의 은하, 특히 저질량 및 복합체가 없는 시스템에서 블랙홀 점유율에 어떻게 영향을 미치는지 평가하기 위해.
• 다양한 씨앗 질량 모델에 기반해 현재 시점의 블랙홀 질량 함수, 적축 블랙홀의 빛의 세기 함수, 그리고 $M_{\rm bh}-\sigma$ 관계의 산란을 예측하기 위해.
• 저적색도에서의 관측 가능 서식지에 의해 거대 씨앗 모델과 전통적인 인구 III 잔여물 '경량 씨앗' 모델을 구별하기 위해.
• 초기 씨앗 형성의 장기적 관측적 잔여물이 국소 초거대 블랙홀과 그 은하 주변의 민족학적 특성에 어떻게 영향을 미치는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 고적색도($z>15$)에서 현재까지 블랙홀 질량 집적 역사를 추적하기 위해 몬테카를로 융합 트리 방법을 사용한다.
• Lodato & Natarajan(2006)의 분석 모델을 적용하여 허브 스핀, 가스 비율 및 Toomre 파라미터 $Q_{\rm c}$에 기반해 씨앗 질량을 계산하며, $M_{\rm BH}$는 $\lambda_{\rm max}$와 비열온도를 포함한 폐쇄형 표현식으로 주어진다.
• 디스크 분열이 씨앗 형성 방지하는 임계 온도 한계 $T_{\rm max}$를 도입하여 유효한 허브 질량를 제한한다.
• 스핀과 질량 기준에 따라 어둠성 물질 허브에 씨앗을 배치하며, 형성 효율은 $Q_{\rm c}$와 허브의 뭉친 정도에 따라 달라진다.
• 계층적 융합과 적축을 통한 블랙홀 성장을 시뮬레이션하며, 블랙홀 질량 함수와 $M_{\rm bh}-\sigma$ 관계의 진화를 추적한다.
• 다양한 씨앗 형성 효율을 가진 모델 간 예측을 비교하며, 특히 거대 씨앗($10^5-10^6 M_\odot$)과 인구 III 잔여물에서 유래한 경량 씨앗을 대조한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고적색도 허브에서 거대 블랙홀 씨앗의 형성 효율은 저적색도 은하의 블랙홀 점유율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 국소 우주에서 거대 씨앗 모델과 전통적인 인구 III 잔여물 '경량 씨앗' 모델을 관측 가능한 서식지로 어떻게 구별할 수 있는가?
• RQ3 국소 $M_{\rm bh}-\sigma$ 관계의 형태와 산란은 초기 씨앗 질량 함수와 형성 효율에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 저표면 밝기, 복합체가 없는 은하에 큰 디스크를 가진 은하가 고적색도에서 거대 블랙홀 씨앗을 갖기 어려운 이유는 무엇인가?
• RQ5 저적색도에서의 대체 적축 또는 성장 메커니즘이 초기 씨앗 모델 간의 차이를 어떻게 가림 또는 상쇄하는가?

주요 결과

• 질량 약 $10^5-10^6 M_\odot$인 거대 블랙홀 씨앗은 $z>15$에서 고스피닝, 고질량 허브에서 선호적으로 형성되며, 형성 효율은 Toomre 파라미터 $Q_{\rm c}$에 크게 의존한다.
• 모델은 $z=0$ 시점의 저질량 은하 중 상당수에서 핵 블랙홀을 보유하지 않음을 예측하며, 최근 허블 우주 망원경 관측 결과와 일치하여 낮은 질량 끝에서 평탄한 $M_{\rm bh}-\sigma$ 관계를 보임을 확인한다.
• 국소 $M_{\rm bh}-\sigma$ 관계의 산란은 거대 씨앗 모델에서 더 크며, 이는 관측 데이터로도 이제 확인되고 있다.
• 거대 씨앗 모델과 경량 씨앗 모델 간의 차이는 현재 시점의 블랙홀 질량 함수의 낮은 질량 끝에서 가장 두드러지며, 거대 씨앗은 더 급격한 낮은 질량 기울기를 유도한다.
• 은하의 블랙홀 점유율은 후속 적축 메커니즘과 거의 무관하여, 초기 씨앗 형성 과정을 잘 반영하는 강력한 추적자이다.
• 블랙홀 질량 함수의 고질량 끝에서는 초기 씨앗 모델의 영향이 줄어들며, 후속 적축과 융합 과정이 지배하는 $z \sim 3$ 시점에서는 모델 간의 차이가 덜 두드러진다.