[論文レビュー] Local Black Hole Scaling Relations Imply Compton Thick or Super Eddington Accretion

Gregory S. Novak|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2013

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、修正された局所的ブラックホールスケーリング関係—ぶどう質量の0.1%から0.5%に増加した正規化—が、薄い円盤モデルの最小期待値よりもはるかに低い平均放射効率を示し、欠落した質量予算を説明するには、コンプトン厚い遮蔽またはスーパー・エディングトン降着が必要であると主張している。主な結果は、z=7クェーサーの急速な成長と矛盾する問題を解消するには、スーパー・エディングトン降着が強く支持されることである。

ABSTRACT

A recent analysis of black hole scaling relations, used to estimate the local mass density in black holes, has indicated that the normalization of the scaling relations should be increased by approximately a factor of five. The local black hole mass density is connected to the mean radiative efficiency of accretion through the time integral of the quasar volume density. The correspondence between this estimate of the radiative efficiency and that expected theoretically from thin-disk accretion has long been used as an argument that most of the growth in black holes occurs via luminous accretion. The increase of the mass density in black holes pushes the mean observed radiative efficiency to values below that expected for thin-disk accretion for any value of the black hole spin, including retrograde accretion disks. This can be accommodated via black hole growth channels that are intrinsically radiatively inefficient, such as super-Eddington accretion, or via growth channels that are intrinsically radiatively efficient but for which few of the photons are observed, such as Compton thick accretion. Measurements of the 30 keV peak in the X-ray background indicate a significant population of Compton thick sources which can explain some, but not all, of the change in the local black hole mass density. If this result is taken as evidence that super-Eddington accretion is common, it greatly reduces the tension associated with the growth timescale of observed z=7 quasars compared to the age of the universe at that redshift.

研究の動機と目的

• Kormendy & Ho (2013) が提示した最新のスケーリング関係を用いて、局所的ブラックホール質量密度を再評価すること。
• 観測された平均放射効率が、薄い円盤降着の理論的期待値と整合するかを評価すること。
• コンプトン厚い降着またはスーパー・エディングトン降着が、観測されたと予想される降着効率の差異を説明できるかを特定すること。
• 高赤方偏移のz=7クェーサーの成長時間スケールに生じる矛盾を解消すること。

提案手法

• M_BH–M_bulge関係の正規化を0.1%から0.5%に更新することで、局所的ブラックホール質量密度を再評価する。
• Soltanの議論を適用し、時間積分されたクェーサーの明るさ関数と局所的ブラックホール質量関数を結びつける。
• 統合された明るさ密度と局所的質量密度の比から、平均放射効率を計算する。
• 得られた平均効率を、薄い円盤降着の理論的限界（3.7%～42%）および非回転ブラックホールの理論的限界（5.7%）と比較する。
• X線背景の30 keVピークを用いて、コンプトン厚い源の寄与を評価する。
• スーパー・エディングトン降着が観測された放射効率の不足を説明できるかを検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 更新されたスケーリング関係に基づく、局所的ブラックホール質量密度の再評価値は何か？
• RQ2 得られた平均放射効率は、薄い円盤降着の理論的最小値を下回っているか？
• RQ3 コンプトン厚い降着だけが放射効率の差異を完全に説明できるか？
• RQ4 観測された質量密度と降着物理学を整合させるために、スーパー・エディングトン降着が必要か？
• RQ5 修正された効率は、z=7クェーサーの成長時間スケールにどのように影響するか？

主な発見

• M_BH–M_bulge正規化をぶどう質量の0.1%から0.5%に変更すると、局所的ブラックホール質量密度は5倍に増加する。
• 得られた平均放射効率は6.5%から1.3%に低下し、非回転ブラックホールの理論的最小値5.7%を下回る。
• コンプトン厚い降着だけでは、観測された放射効率の不足を完全に説明できない。X線背景データから、これは5倍の増加のうちの一部しか説明できない。
• 低効率は、多くのブラックホール成長が、本質的に放射効率が低い、または観測的に隠された降着モードによって起こっていることを示唆する。
• スーパー・エディングトン降着は、観測された低効率を説明し、z=7クェーサーの時間スケールの矛盾を解消するメカニズムとして強く支持される。
• スーパー・エディングトン降着の証拠があれば、z=7クェーサーの必要とされる成長時間スケールは著しく短縮され、その赤方偏移における宇宙の年齢と整合的になる。