[论文解读] The Formation of the First Quasars in the Universe

Joseph Smidt, Daniel J. Whalen+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 3被引用 11

一句话总结

该论文提出，像ULAS J1120+0641和SDSS J0100+2802这样的最早类星体，是通过原初气体直接坍缩形成的黑洞吸积冷而致密的气体流而形成的，从而在大爆炸后首个十亿年内实现快速成长。模拟成功再现了观测到的类星体质量、亮度、电离近区、恒星形成率、金属丰度以及ALMA测量的宿主星系动力学质量，超新星反馈则调节了早期类星体的成长。

ABSTRACT

Supermassive black holes are the central engines of luminous quasars and are found in most massive galaxies today. But the recent discoveries of ULAS J1120+0641, a 2 $ imes$ 10$^9$ M$_{\odot}$ black hole at $z \sim$ 7.1, and SDSS J0100+2802, a 1.2 $ imes$ 10$^{10}$ M$_{\odot}$ black hole at $z =$ 6.3, challenge current paradigms of cosmic structure formation because it is not known how quasars this massive appeared less than a billion years after the Big Bang. Here, we report new cosmological simulations of SMBHs with x-rays fully coupled to primordial chemistry and hydrodynamics that show that J1120+0641 and J0100+2802 can form from direct collapse black holes if their growth is fed by cold, dense accretion streams, like those thought to fuel the rapid growth of some galaxies at later epochs. Our models reproduce the mass, luminosity and ionized near zone of J1120+0641, as well as the star formation rate and metallicity in its host galaxy. They also match new observations of the dynamical mass of the central 1.5 kpc of its emission region just obtained with ALMA. We find that supernova feedback from star formation in the host galaxy regulates the growth of the quasar from early times.

研究动机与目标

• 解决在大爆炸后约7亿年内，质量高达2×10⁹ M☉的超大质量黑洞如何形成的谜题。
• 探究直接坍缩黑洞是否能够快速成长，以解释高红移类星体如ULAS J1120+0641和SDSS J0100+2802的存在。
• 检验冷而致密的吸积流在早期宇宙时期促进黑洞快速成长中的作用。
• 考察宿主星系中恒星形成产生的反馈如何从一开始就调节类星体的成长。
• 重现关键的观测约束，包括亮度、电离近区、恒星形成率、金属丰度以及ALMA测量的动力学质量。

提出的方法

• 开展将X射线反馈与高红移环境中的原初化学和流体动力学耦合的宇宙学模拟。
• 在z ~ 15–20的暗物质微星系中，模拟原初气体在纯净环境中形成直接坍缩黑洞（DCBHs）。
• 模拟冷而致密的吸积流向中心黑洞供料，模仿后期星系形成中观测到的流入机制。
• 在宿主星系中引入早期恒星形成产生的超新星反馈，以调节黑洞吸积和气体供应。
• 使用辐射转移和电离建模计算类星体的亮度和电离近区，与J1120+0641的观测结果匹配。
• 将模拟的中心1.5 kpc区域的动力学质量分布与ALMA观测结果进行比较，以验证模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 直接坍缩黑洞是否能够在大爆炸后约7亿年内，于z ~ 7.1时快速成长至2×10⁹ M☉，从而形成类星体？
• RQ2 需要何种吸积机制才能重现ULAS J1120+0641的观测亮度和电离近区？
• RQ3 宿主星系中恒星形成产生的超新星反馈在类星体早期演化阶段如何影响中心黑洞的成长？
• RQ4 该模型在多大程度上能够重现J1120+0641宿主星系中观测到的恒星形成率和金属丰度？
• RQ5 模拟的类星体辐射区中心1.5 kpc区域的动力学质量是否与ALMA测量结果一致？

主要发现

• 模拟成功再现了ULAS J1120+0641在z ~ 7.1时的观测质量2×10⁹ M☉，与大爆炸后约7亿年内形成的结果一致。
• 该模型与J1120+0641的亮度和电离近区观测结果匹配，证实冷吸积流能够驱动此类极端类星体。
• 模拟的J1120+0641宿主星系的恒星形成率和金属丰度与观测约束一致。
• 该模型成功再现了ALMA测量的中心1.5 kpc区域的动力学质量，验证了类星体系统的结构和运动学特性。
• 发现早期恒星形成产生的超新星反馈从最早阶段即调节黑洞吸积，防止其发生失控式增长。
• 通过冷而致密的吸积流供能的直接坍缩黑洞，能够实现高红移最重类星体的形成，解决了早期结构形成中的一个关键难题。