[논문 리뷰] Top-heavy stellar mass distribution in galactic nuclei inferred from the universally high abundance ratio of [Fe/Mg]

Daisuke Toyouchi, Kohei Inayoshi외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 11.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 93인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 활성은하핵(AGN) 디스크에서 질량 함수의 상부가 두꺼운 형태를 띠는 초기 질량 함수(IMF)가 Γ ≳ −1의 비율 법칙 지수와 Mmax ≃ 100–150 M⊙의 고질량 절단값(또는 Γ ≳ 0일 경우 Mmax ≳ 250 M⊙)을 가지면, 고적색도 quasar에서 관측된 보편적인 높은 [Fe/Mg] ≳ 0.2를 설명할 수 있다고 제안한다. 이러한 IMF는 거대한 핵붕괴 및 쌍대성 불안정성 초신성에 의해 철의 생산을 증가시키며, 10 Myr 이내의 빠른 화학적 풍부화를 가능하게 하며, z ≲ 3에서 LIGO/Virgo 이중 블랙홀 병합률과 일치한다.

ABSTRACT

Recent observations of active galactic nuclei (AGNs) have shown a high Fe~II/Mg~II line-flux ratio in their broad-line regions, nearly independent of redshift up to $z \gtrsim 6$. The high flux ratio requires rapid production of iron in galactic nuclei to reach an abundance ratio of ${ m [Fe/Mg]} \gtrsim 0.2$ as high as those observed in matured galaxies in the local universe. We propose a possible explanation of rapid iron enrichment in AGNs by massive star formation that follows a top-heavy initial mass function (IMF) with a power-law index of $\Gamma$ larger than the canonical value of $\Gamma=-2.35$ for a Salpeter IMF. Taking into account metal production channels from different types of SNe, we find that the high value of ${ m [Fe/Mg]} \gtrsim 0.2$ requires the IMF to be characterized with $\Gamma \gtrsim -1$ ($\Gamma \gtrsim 0$) and a high-mass cutoff at $M_{ m max} \simeq 100$--$150~{ m M_\odot}$ $(M_{ m max} \gtrsim 250~{ m M_\odot})$. Given the conditions, core-collapse SNe with $M_\ast \gtrsim 70~{ m M_\odot}$ and pair-instability SNe give a major contribution for iron enrichment. Such top-heavy stellar IMFs would be a natural consequence from mass growth of stars formed in dense AGN disks under Bondi-like gas accretion that is regulated by feedback at $M_\ast \gtrsim 10~{ m M_\odot}$. The massive stellar population formed in AGN disks also leave stellar-mass black hole remnants, whose mergers associated with gravitational-wave emission account for at most 10 \% of the merger rate inferred from LIGO/Virgo observations to simultaneously explain the high ${ m [Fe/Mg]}$ ratio with metal ejection.

연구 동기 및 목표

• 고적색도 z ≳ 6인 고적색도 quasar의 광선 영역(BLR)에서 관측된 보편적인 높은 [Fe/Mg] ≳ 0.2 농도 비율을 설명하기 위해, 표준 화학적 진화 모델과 모순되는 현상에 기여하는 바를 밝히는 것.
• 거대한 항성에서 유래한 금속 수확량을 통해 관측된 [Fe/Mg] 비율을 재현하는 항성 IMF 매개변수(Γ 및 Mmax)를 규명하는 것.
• 밀도가 높고 자기중력이 강한 AGN 순환 디스크에서, 피드백에 의해 조절되는 Bondi 유사 순환에 의해 이러한 상부가 두꺼운 IMF가 어떻게 자연스럽게 발생할 수 있는지 조사하는 것.
• 상부가 두꺼운 IMF 가설 하에 AGN 디스크에서 형성된 이중 블랙홀의 우주적 병합률을 계산하여 중력파 천문학에 대한 함의를 평가하는 것.

제안 방법

• 연구는 핵붕괴 및 쌍대성 불안정성 초신성(PISNe)에서 철과 마그네슘의 생산을 중심으로, NKT13 및 UN08의 항성 수확량 표를 사용하여 10 ≤ M∗/M⊙ ≤ 260의 원형질량 항성에 대해 분석한다.
• IMF 전반에 걸친 질량 가중 평균 수확량을 모델링하기 위해, 비율 법칙 지수 Γ와 고질량 절단값 Mmax를 변화시켜 [Fe/Mg] ≳ 0.2를 재현한다.
• 시간에 따라 변화하는 항성 질량 성장 모델을 적용하며, M∗ ≳ 10 M⊙일 때 복사 및 기계적 피드백에 의해 조절되는 Bondi 유사 순환을 가정하여 상부가 두꺼운 IMF를 도출한다.
• 우주적 이중 블랙홀 병합률은 내부 BLR(r < 0.1 pc)에서는 상부가 두꺼운 IMF를, 외부 영역(0.1 pc < r < 10 pc)에서는 Salpeter IMF를 가정하여 계산하며, LIGO/Virgo 관측 결과와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고적색도 quasar BLR에서 관측된 [Fe/Mg] ≳ 0.2를 재현하기 위해 필요한 IMF 매개변수(Γ 및 Mmax)는 무엇인가?
• RQ2 피드백 조절에 의해 조절되는 순환에 의해, 밀도가 높고 자기중력이 강한 AGN 디스크에서 상부가 두꺼운 IMF가 어떻게 자연스럽게 형성될 수 있는가?
• RQ3 이러한 상부가 두꺼운 IMF 하에서 거대한 핵붕괴 및 쌍대성 불안정성 초신성은 철 풍부화에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 상부가 두꺼운 IMF 하에서 AGN 디스크에서 형성된 이중 블랙홀의 예상 우주적 병합률은 무엇이며, LIGO/Virgo 관측 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 향후 LSST 관측을 통해 z ≲ 2에서 PISNe를 관측할 수 있는지, 상부가 두꺼운 IMF 가설을 검증할 수 있는가?

주요 결과

• 고적색도 quasar BLR에서 관측된 [Fe/Mg] ≳ 0.2를 재현하기 위해, Γ ≳ −1의 비율 법칙 지수와 Mmax ≃ 100–150 M⊙의 고질량 절단값을 가진 IMF가 필요하다.
• 더 높은 질량의 IMF(Mmax ≳ 250 M⊙ 및 Γ ≳ 0)도 [Fe/Mg] 제약 조건을 충족시키며, 매우 거대한 항성이 철 풍부화에 필수적임을 시사한다.
• 이러한 IMF 하에서 핵붕괴 초신성(M∗ ≳ 70 M⊙)과 쌍대성 불안정성 초신성(PISNe, M∗ ≃ 220–260 M⊙)이 철 풍부화의 주요 기여자이다.
• M∗ ≳ 10 M⊙일 때 복사 및 기계적 피드백에 의해 조절되는 Bondi 유사 순환에 의해 AGN 디스크 내 상부가 두꺼운 IMF가 자연스럽게 형성되며, 이는 빠른 항성 질량 성장을 이끈다.
• AGN 디스크에서 형성된 이중 블랙홀 병합률은 z ≲ 3에서 LIGO/Virgo 관측 결과와 일치하며, 국지 병합률의 최대 10%를 차지할 수 있다.
• 이 모델은 z ≲ 2에서 PISNe의 높은 탐지 빈도를 암시하며, 향후 LSST 조사로 검증 가능하다.