[논문 리뷰] The mass assembly history of black holes in the Universe

Priyamvada Natarajan|arXiv (Cornell University)|2011. 05. 24.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 고적색우주에서 전기적 응축을 통한 초기 은하 전기 가스 디스크의 직접 붕괴를 통해 형성된 고질량 블랙홀 씨앗을 추적하기 위해 몬테카를로 융합 트리 모델을 제안한다. 이 모델은 현재 시점의 블랙홀 질량 함수에서 뚜렷한 저질량 끝부분을 예측하고, $M_{\rm bh}-\sigma$ 관계에서 산란이 증가하며, 낮은 표면 밝기, 부울이 없는 은하가 블랙홀을 더 적게 포함하고 있음을 시사한다—이러한 것은 고질량 씨앗 모델과 인구-III 잔여 씨앗 모델을 구별하는 핵심 서식지이다.

ABSTRACT

We track the growth and evolution of high redshift seed black holes over cosmic time. This population of massive, initial black hole seeds form at these early epochs from the direct collapse of pre-galactic gas discs. Populating dark matter halos with seeds formed in this fashion, we follow their mass assembly history to the present time using a Monte-Carlo merger tree approach. Using this formalism, we predict the black hole mass function at the present time; the integrated mass density of black holes in the Universe; the luminosity function of accreting black holes as a function of redshift and the scatter in observed, local Mbhσs relation. Signatures of these massive seed models appear predominantly at the low mass end of the present day black hole mass function. In fact, our prediction of the shape of the Mbhσs relation at the low mass end and increased scatter has recently been corroborated by observations. These models predict that low surface brightness, bulge-less galaxies with large discs are least likely to be sites for the formation of massive seed black holes at high redshifts. The efficiency of seed formation at high redshifts also has a direct influence on the black hole occupation fraction in galaxies at z = 0. This effect is more pronounced for low mass galaxies today as we predict the existence of a population of low mass galaxies that do not host nuclear black holes. This is the key discriminant between the models studied here and the Population-III remnant seed model.

연구 동기 및 목표

• 고적색에서의 고질량 블랙홀 씨앗 형성의 관측적 흔적들이 국지 블랙홀 질량 함수와 $M_{\rm bh}-\sigma$ 관계에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 씨앗 형성 효율이 $z=0$ 시점의 저질량 은하에서 블랙홀 점유율에 어떻게 영향을 미치는지 규명하는 것.
• 저질량 끝부분 서식지의 블랙홀 질량 함수와 $M_{\rm bh}-\sigma$ 관계 서식지를 통해 고질량 씨앗 모델과 인구-III 잔여 씨앗 모델을 구별하는 것.
• 특히 부울 존재와 스핀을 포함한 주변 은하 성질이 고적색 블랙홀 씨앗 형성 가능성을 어떻게 결정하는지 평가하는 것.
• 후속 질량 증가 및 융합 과정이 초기 조건을 가리킬 수 있는 상황에서 씨앗 형성 서식지의 강건성 평가

제안 방법

• 고적색 씨앗에서 현재 시점까지의 블랙홀 질량 조립을 몬테카를로 융합 트리 방법으로 시뮬레이션한다.
• $z \gtrsim 10$ 시점에 전은하 가스 디스크의 직접 붕괴를 통해 형성된 씨앗을 다크 물질 홀로 채운다.
• 다양한 시나리오를 탐색하기 위해 씨앗 형성 효율 매개변수를 도입한다. 이는 고효율에서 저효율까지 다양하게 설정된다.
• 저적색에서 관련된 피드백 및 연료 공급 모드를 포함하여 질량 증가를 응축과 융합을 통해 추적한다.
• 현재 시점의 블랙홀 질량 함수, 응축 중 블랙홀의 빛의 함수, $M_{\rm bh}-\sigma$ 관계의 산란을 예측한다.
• 모델 예측을 관측 데이터와 비교하며, 특히 $M_{\rm bh}-\sigma$ 관계의 저질량 끝부분과 점유율에 중점을 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 직접 붕괴를 통한 고질량 블랙홀 씨앗 형성이 현재 시점의 블랙홀 질량 함수 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 고질량 씨앗 모델 하에서 $M_{\rm bh}-\sigma$ 관계의 저질량 끝부분에서 예측되는 산란은 어떻게 되며, 관측 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 씨앗 형성 효율은 저질량, 부울이 없는 은하에서 $z=0$ 시점의 블랙홀 점유율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 저적색 관측 자료를 통해 고질량 씨앗 모델을 인구-III 잔여 씨앗 모델과 구별할 수 있는가?
• RQ5 후속 질량 증가 및 융합 과정이 국지 블랙홀 집단에서 초기 씨앗 형성 서식지를 얼마나 가리거나 흐리게 하는가?

주요 결과

• 모델은 현재 시점의 블랙홀 질량 함수에서 뚜렷한 저질량 끝부분을 예측하며, 저질량 은하 중 핵심에 블랙홀이 없는 상당수의 집단이 존재함을 시사한다.
• HST ACS를 통한 비어로 은하군 저질량 은하 조사에서 최근에 얻은 관측 데이터와 일치하는, $M_{\rm bh}-\sigma$ 관계의 저질량 끝부분에서의 산란을 예측한다.
• 낮은 스핀과 중심 농도 부족으로 인해, 큰 디스크를 지닌 낮은 표면 밝기, 부울이 없는 은하는 고적색에서 고질량 씨앗을 형성할 가능성이 가장 낮다.
• 저질량 은하에서 블랙홀 점유율은 씨앗 형성 효율에 매우 민감하며, 이러한 시스템의 상당수에서 블랙홀의 존재가 확인되지 않는다.
• 블랙홀 질량 함수의 고질량 끝부분은 후속 질량 증가 및 융합 과정이 지배하므로 초기 씨앗 모델에 덜 민감하다.
• 점유율은 후속 질량 증가 메커니즘과 거의 무관하므로, 씨앗 형성 역사에 대한 강건한 추적자이다.