[논문 리뷰] The birth of intermediate-mass black holes in primordial galaxies

Muhammad Latif, Sadegh Khochfar외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 16.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 4인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 중간 질량 블랙홀이 초기 은하에서 중간 강도의 라이만-워너 UV 배경(100–500 mJ₂₁)에 노출된 허브에서 초전하된 H₂ 냉각을 통해 형성될 수 있다고 제안한다. 이로 인해 질량이 큰 별(1800–2800 M☉)이 형성되며, 이는 낮은 빛의 강도를 띤 활성 은하핵을 씨앗으로 삼을 수 있다. 이러한 별들은 복사 피드백으로 인해 물질 붕괴를 멈추며, 극도로 강한 LW 배경이 필요로 하지 않는 방식으로 z ≳ 7 시점까지 10⁹ M☉ 블랙홀을 형성할 수 있는 타당한 길을 제공한다.

ABSTRACT

The discovery of quasars at $z \gtrsim$ 7 poses serious challenges because it is not known how 10$^9$ \Ms black holes formed by this epoch. The leading candidates for the seeds of these quasars are 10$^5$ \Ms direct-collapse black holes forming in atomically cooled haloes at $z \sim$ 15 - 20. However, the Lyman-Werner (LW) UV backgrounds required to form such objects are extreme, $\gtrsim$ 10$^4$ $ m J_{21}$, and may have been rare in the early universe. Here, we model the formation of Population III stars in moderate LW backgrounds of 100 and 500 $ m J_{21}$ that were much more common at early times. We find that these backgrounds allow haloes to grow to a few 10$^6$ - 10$^7$ \Ms and virial temperatures of nearly 10$^4$ K before collapsing but do not completely sterilize them of H$_2$. At the onset of collapse, Ly$\alpha$ cooling dominates in the outer regions of the halo but H$_2$ cooling regulates the collapse of the core, at rates that are 10 - 50 times those in minihaloes because of higher virial temperatures. Supercharged H$_2$ cooling leads to the formation of 1800 - 2800 \Ms primordial stars, with radiative feedback from the star halting accretion and setting its upper limit in mass. Such stars may lead to a population of less-massive, lower luminosity quasars that could be discovered by the {\em James Webb Space Telescope}, {\em Euclid} and the {\em Roman Space Telescope} in the coming decade.

연구 동기 및 목표

• 중간 강도의 라이만-워너(LW) UV 배경을 가진 허브에서 거대한 초기 별의 형성을 조사하는 것. 이러한 배경은 극도로 강한 배경보다도 초기 우주에서 더 흔하다.
• 이러한 허브가 비탈리 온도가 약 10⁴ K에 가까운 10⁶–10⁷ M☉까지 성장할 수 있고, 여전히 냉각을 위한 충분한 H₂를 유지할 수 있는지 평가하는 것.
• H₂ 냉각이 미니허브보다 10–50배 높은 붕괴 속도를 이끌어내는지, 그리고 거대 별 형성에 기여하는지 확인하는 것.
• 이러한 별들이 중간 질량 블랙홀 씨앗의 형성과 고적도 활성 은하핵의 기원에 어떤 영향을 미치는지 탐색하는 것.
• 향후 망원경으로 탐지 가능한 이러한 거대 별과 그 잔재의 관측 가능 신호를 식별하는 것.

제안 방법

• z ≈ 15–20 시점에서 더 흔한 중간 강도의 LW 배경(100 및 500 mJ₂₁)을 고려하여 허브의 진화를 시뮬레이션하는 것.
• 이 조건 하에서 기체의 열적 및 화학적 진화를 모델링하며, 특히 H₂ 형성과 냉각 효율성에 초점을 맞추는 것.
• 중력 수축 과정에서 핵부분의 H₂ 냉각에서 외곽 영역의 Lyα 냉각으로의 전이를 추적하는 것.
• 형성 중인 원시 별로 향하는 물질 붕괴 속도를 계산하며, 더 높은 비탈리 온도로 인해 미니허브보다 10–50배 높은 속도를 기록하는 것을 보여주는 것.
• 형성 중인 별의 복사 피드백을 평가하여 물질 붕괴가 언제 멈추고 최종 별 질량이 어떻게 결정되는지 확인하는 것.
• 유체역학적 및 복사 전달 시뮬레이션을 사용하여 이 조건 하에서 1800–2800 M☉ 별의 형성이 가능한지 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중간 강도의 LW 배경(100–500 mJ₂₁)에 노출된 허브가 H₂ 냉각을 유지하면서 10⁶–10⁷ M☉까지 성장할 수 있는가?
• RQ2 이 조건 하에서 H₂ 냉각이 핵부분의 붕괴를 얼마나 규제하는가? 외곽 영역의 Lyα 냉각과 비교해보면 어떠한가?
• RQ3 형성 중인 원시 별로 향하는 붕괴 속도는 무엇이며, 비탈리 온도와 배경 강도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 이 조건 하에서 형성된 초기 별의 최종 질량은 얼마이며, 그 성장은 무엇에 의해 제한되는가?
• RQ5 이러한 별들이 z ≳ 7 시점까지 10⁹ M☉ 활성 은하핵이 되는 중간 질량 블랙홀 씨앗을 형성할 수 있는가?

주요 결과

• 중간 강도의 LW 배경(100–500 mJ₂₁)에 노출된 허브는 붕괴 이전에 비탈리 온도가 10⁴ K에 가까운 10⁶–10⁷ M☉까지 성장할 수 있다.
• 핵부분에서 H₂ 냉각이 효과적으로 유지되어, 더 높은 비탈리 온도로 인해 미니허브보다 10–50배 높은 붕괴 속도를 기록한다.
• 형성 중인 별은 복사 피드백으로 인해 추가 붕괴가 멈출 때까지 질량이 1800–2800 M☉에 도달한다.
• 이 메커니즘은 희귀한 극도로 강한 LW 배경(>10⁴ mJ₂₁)이 필요로 하지 않으며, 오히려 초기 우주에서 더 흔한 조건에서 작동한다.
• 이러한 거대 별들은 제임스 웹 우주망원경, 유클리드, 로만 우주망원경으로 탐지 가능한 낮은 빛의 강도를 띤 활성 은하핵을 형성할 수 있다.
• 이러한 시나리오는 극도로 희귀하거나 극단적인 물리적 조건이 필요로 하지 않으며, z ≳ 7 시점까지 10⁹ M☉ 블랙홀을 형성할 수 있는 타당한 길을 제공한다.