[논문 리뷰] Forced accretion in stochastically fed AGN and quasars

Sergei Nayakshin, A. R. King|arXiv (Cornell University)|2007. 05. 11.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 AGN 및 쿼asar의 초거대 블랙홀(SMBH)이 무작위 방향을 가진 낮은 운동량을 가진 기체 구름에 의해 공급되며, 이는 기울어진 고리형 원판을 형성하여 중력 불안정성을 피하고 빠른 강제적 고리형 공급을 가능하게 한다고 제안한다. 이 모델은 컴프턴 두꺼운 은폐, 은하 바와의 상관관계 부재, 효율적인 피드백과 같은 주요 AGN 특성을 설명하며, '마지막 파세크 문제'와 SMBH-은하 질량 관계를 해결한다.

ABSTRACT

Steady state accretion discs larger than ~ 0.01-0.1 pc are known to be gravitationally unstable for the accretion rates needed to explain super-massive black hole (SMBH) activity. We propose that SMBH are fed by a succession of mass deposition events with randomly directed angular momenta. Because of incomplete angular momentum cancellation a warped accretion disc forms in the inner few parsec. The orientation of the disc performs a random walk. Deposition of new material promotes SMBH accretion at rates much faster than viscous. Observational implications of this picture include: (i) lighter accretion discs that can fuel AGN and quasars and yet avoid star formation at R >> 0.1 pc; (ii) star formation inside the disc is not a function of mass accretion rate only. It can take place at high or low accretion rates, e.g., when too few clouds arrive in the inner region. An example of this might be the central parsec of our Galaxy. (iii) The discs can form Compton-thick obscuring structures of ~ parsec size as required in AGN unification models; (iv) faster black hole growth resulting from misalignment of the disc and the black hole spin in the early Universe; (v) Isotropic deposition of SMBH energy and momentum feedback in the galaxy bulge. This may help explain the high efficiency with which it seems to be operating in the Universe. (vi) No correlation between SMBH activity and the presence of kiloparsec scale bars or gaseous discs in galactic bulges; (vii) Bodily collisions between gaseous components of merging galaxies facilitate production of gas streams feeding the centre of the combined galaxy. Mergers should thus be catalysts of SMBH growth. (viii) Conversely, galaxies experiencing fewer mergers are more likely to form massive nuclear star clusters than feed their SMBHs.

연구 동기 및 목표

• 은하 복합체 내에서 큰 운동량을 지닌 상황에서도 AGN 및 쿼asar의 초거대 블랙홀(SMBH)에 공급하는 이론적 과제를 해결하기 위해.
• 약 0.01–0.1 pc 이상에서 중력 분열 및 별 형성으로 인해 불안정해지는 거대하고 차가운 고리형 원판의 문제를 해결하기 위해.
• 높은 고리형 공급 속도가 존재함에도 불구하고 AGN 내에서 대규모 기체 원판이 관측되지 않는 이유를 설명하기 위해.
• 거대한 설계 원판이나 강력한 은하적 구조에 의존하지 않고도 효율적인 SMBH 성장과 등방성 피드백을 제공하는 메커니즘을 마련하기 위해.
• 저질량 은하에서 핵심 별 군집과 SMBH 사이의 관찰된 이원성에 설명을 제공하기 위해.

제안 방법

• 무작위 운동량 방향을 가진 기체 덩어리의 무작위 침착을 통해 SMBH 고리형 공급을 모델링하며, 이로 인해 부분적인 상쇄가 발생하고 순 운동량 전달이 이루어짐.
• 자기중력 반경 $ R_{\rm sg} \rightarrow 0.01-0.1 $ pc를 고려하여, $ R_{\rm sg} \rightarrow 0.01\text{pc} \times \tilde{M}^{-2/7} $에서 유도된 기준으로, 원판 분열이 발생하는 영역을 정의함.
• 기울어진 운동량 침착으로 인해 기울어진 고리형 원판이 형성되며, 이 기울임이 점성 시간스케일보다 오래 지속됨을 입증함.
• 원판 안정성 조건을 적용: $ M_{\rm disc} < 0.002 M_{\rm bh} $, 이는 $ R_{\rm sg} $ 이외의 영역에서 중력 안정성을 보장함.
• 컴프턴 두꺼운 은폐 가능성 평가를 위해 열량 밀도 추정치 $ \tilde{\rho} \rightarrow 20 M_8^{5/7} R_{\rm pc}^{-13/7} t_5^{-1/7} $를 산정함.
• 합성 유도 기체 흐름이 주요 합성 기간 동안 공급률을 증가시켜 고리형 공급률과 SMBH 성장을 설명함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.01–0.1 pc 이상에서 중력 불안정성이 발생하는 대규모 안정한 고리형 원판 없이도 SMBH가 효율적으로 공급될 수 있는가?
• RQ2 높은 질량과 낮은 온도를 가진 잠재적 원판이 존재하는 상황에서, 내부 파세크 영역에서 별 형성을 피하면서도 AGN이 고리형 공급률을 유지할 수 있는가?
• RQ3 AGN 통합 모델에서 ~파세크 크기의 컴프턴 두꺼운 은폐 기구가 형성되는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 왜 AGN 활동과 킬로파세크 크기의 바 또는 기체 원판 간에 관측된 상관관계가 없는가?
• RQ5 무작위 기체 덩어리의 고리형 공급과 운동량 상쇄는 SMBH 성장과 핵심 별 군집 형성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 무작위 운동량 방향을 가진 무작위 기체 덩어리의 고리형 공급은 부분적인 상쇄가 발생하여 점성 시간스케일을 초월하는 빠른 강제적 고리형 공급을 가능하게 한다.
• 기울어진 고리형 원판은 약 ~10 pc까지 연장될 수 있으며, 이는 자기중력 반경 $ R_{\rm sg} \rightarrow 0.01-0.1 $ pc보다 훨씬 크며, 중력 불안정성을 피함.
• 질량 $ M_{\rm disc} < 0.002 M_{\rm bh} $인 원판은 중력적으로 안정되어 있으며, 내부 영역의 분열 및 별 형성을 방지함.
• 열량 밀도 추정치는 이러한 기울어진 원판이 ~파세크 크기의 컴프턴 두꺼운 흡수체를 형성할 수 있음을 시사하며, AGN 통합 모델과 일치함.
• 저광도 AGN(LLAGN)는 더 밝은 세이퍼트 은하보다 은폐 정도가 낮을 것으로 예측되며, 이는 원판이 빨리 평탄화되거나 분열되어 두꺼운 은폐 기구를 형성하지 못하기 때문임.
• 은하의 주요 합성은 신체적 충돌을 통해 기체 흐름을 공급함으로써 SMBH 성장을 촉진하며, 기체 구동 이중성 수축을 가능하게 하여 '마지재 파세크 문제'를 해결할 수 있음.