[논문 리뷰] The role of gas fragmentation during the formation of supermassive black holes

Matías Suazo, Joaquín Prieto외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 08.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 116인용 수 34

한 줄 요약

이 연구는 우주론적 유체역학 시뮬레이션을 사용하여 직접 붕괴 블랙홀(DCBH) 모델을 통한 초거대 블랙홀 씨앗 형성에 있어 기체 분열이 미치는 영향을 조사한다. 강한 자외선 배경(J21 = 10,000)은 분열을 억제하고 단일 약 ~10⁵ M⊙의 씨앗을 유도하는 반면, 약한 배경(J21 = 10)은 다수의 10³–10⁴ M⊙ 물체로 분열시켜 여전히 융합을 통해 질량이 큰 씨앗으로 이어질 수 있음을 보여준다. 놀랍게도, 고강도 J21 배경 조건에서도 병합 사건 후 고스피너 환경에서는 분열이 가능하며, 이는 자외선 강도만으로는 DCBH 형성이 결정되지 않음을 시사한다.

ABSTRACT

We have performed cosmological hydrodynamic simulations to study the effect of fragmentation on the SMBH seed mass in the direct collapse formation scenario. We considered different background UV intensities, host halo spin, and halo merger histories. Our simulations in low-spin halos, in the presence of a strong UV background are consistent with the Direct Collapse Black Hole model, in which a single massive object $\sim10^5$ M$_{\odot}$ is formed in the center of a proto-galaxy. While in our simulations under the presence of a low UV background, we find fragmentation and the formation of various minor seeds. These fragments have masses of 10$^3$ - 10$^4$ M$_{\odot}$. These values are significant if we consider the potential mergers between them, and the fact that these minor objects are formed earlier in cosmic time compared to the massive single seeds. In one of our simulations, we observed gas fragmentation even in the presence of a strong UV intensity. Said structure arose in a dark matter halo that formed after various merger episodes, and the one with the highest spin value. The final mass obtained was $\sim 10^5$ M$_{\odot}$ in this run. From these results, we conclude that fragmentation in fact produces less massive objects, however, they are still prone to merge. In simulations that formed many fragments, they all approach the most massive one with time. We see no uniqueness in the strength of the UV intensity value required to achieve a DCBH, since it depends in other factors like the system dynamics in our cases.

연구 동기 및 목표

• 직접 붕괴 블랙홀(DCBH) 모델을 통한 초거대 블랙홀 씨앗 형성에서 기체 분열의 역할을 조사하기 위해.
• 다양한 자외선 배경 강도(J21), 환경의 스핀 및 병합 역사를 변화시켜 분열 및 씨앗 질량 형성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 분열이 질량이 큰 DCBH 씨앗의 형성을 방해하는지 여부 또는 단지 이를 연기하는지 여부를 판단하기 위해.
• 이dealized 가정을 초월한 현실적인 동적 우주론적 조건에서 DCBH 모델의 탄력성 평가하기 위해.

제안 방법

• 고적성 환경에서 기체 역학을 모의하기 위해 적응 메쉬 분해를 사용한 우주론적 유체역학 시뮬레이션을 수행한다.
• 냉각 및 이온화 과정을 추적하기 위해 H, H₂, H⁻, D 및 He 종류를 포함한 48개 반응을 포함한 세밀한 화학 네트워크를 통합한다.
• H₂ 억제 및 분열에 미치는 영향을 시험하기 위해 자외선 배경 강도(J21 = 10 및 J21 = 10,000)를 다양하게 설정한다.
• 분열 및 중심 물체 형성에 미치는 영향을 평가하기 위해 환경의 스핀과 병합 역사를 추적한다.
• H⁻ 및 H₂ 형성에 영향을 주는 라이만-워너 및 저에너지 광자 효과를 모의하기 위해 수정된 복사장 모델을 적용한다.
• 초기 구조 형성 과정을 모의하기 위해 자성력, 유체역학 및 복사 전달을 자가 일관성 있게 통합한 3차원 우주론적 시뮬레이션 프레임워크를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 자외선 배경 조건 하에서 기체 분열이 질량이 큰 DCBH 씨앗의 형성을 방해하는가?
• RQ2 강한 자외선 조사 조건에서도 환경의 스핀과 병합 역사는 분열 발생에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 분열을 통해 형성된 다수의 저질량 파편(10³–10⁴ M⊙)이 여전히 질량이 큰 씨앗(~10⁵ M⊙)으로 융합될 수 있는가?
• RQ4 분열을 억제하고 DCBH 형성을 가능하게 하기 위해 반드시 필요한 임계 자외선 강도(J21)가 존재하는가, 아니면 다른 역학적 요소에 따라 달라지는가?

주요 결과

• 강한 자외선 배경(J21 = 10,000)에 노출된 저스피너 환경에서는 표준 DCBH 모델에 부합하는 단일의 질량이 큰 씨앗(~10⁵ M⊙)이 형성된다.
• 약한 자외선 배경(J21 = 10) 조건에서의 시뮬레이션에서는 H₂ 억제가 충분하지 않아 기체가 다수의 10³–10⁴ M⊙ 물체로 분열된다.
• 고강도 J21 환경에서도 병합 이벤트로 인해 고스피너 환경이 형성된 경우 분열이 발생하며, 최종적으로 약 ~10⁵ M⊙의 씨앗 질량이 형성된다.
• 저J21 조건에서 이른 우주적 시기의 파편들은 모두 가장 질량이 큰 것으로 수렴하는 경향을 보이며, 계층적 융합 가능성을 시사한다.
• 분열을 방지하기 위한 임계 자외선 강도(Jcrit₂₁)는 유일하지 않으며, 환경의 스핀과 병합 역사를 포함한 국소적 역학적 조건에 따라 달라진다.
• 이 연구는 분열이 질량이 큰 씨앗의 형성을 차단하지 않음을 입증하며, 다수의 파편이 시간이 지남에 따라 하나의 질량이 큰 물체로 융합될 수 있음을 보여준다.