[论文解读] Accretion onto Intermediate-mass Seed Black Holes in Primordial Galaxies

Yuexing Li|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2011

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 50被引用 12

一句话总结

本研究利用高分辨率一维流体动力学模拟，模拟了在原初气体云中，100 M⊙ 中等质量黑洞种子的吸积过程，同时考虑了辐射反馈和气体自重力。结果表明，自重力可克服辐射抑制，使吸积速率在一次自由落体 timescale 内达到约 86% 的 Eddington 率，并确立了吸积速率与周围气体密度之间的普遍关联，Eddington 限制吸积的临界密度阈值约为 ~10^9 cm⁻³。

ABSTRACT

The origin of the supermassive black holes that power the most distant quasars observed is largely unknown. One hypothesis is that they grew rapidly from intermediate-mass seeds (~100 M_sun) left by the first stars. However, some previous studies argued that accretion onto these black holes was too low to build up the mass due to strong suppression by radiative feedback. Here, we re-exam the accretion process of such a black hole embedded in a primordial gas cloud, by considering a wide range of physical and numerical parameters not explored before. We find that, while radiative heating and pressure indeed suppress accretion effectively, self-gravity of the gas eventually overcomes the feedback effects and boosts the accretion to the Eddington rate after one free-fall timescale of the cloud. Moreover, for a given black hole mass, there exists a critical density above which the accretion can reach Eddington limit. Furthermore, we find a universal correlation between black hole accretion rate and ambient gas density, which may serve as a realistic recipe for black hole growth in simulations.

研究动机与目标

• 解决长期存在的难题：中等质量黑洞种子如何能快速成长以形成高红移类星体的超大质量黑洞。
• 研究辐射反馈与气体自重力在原初气体云中调控 100 M⊙ 黑洞吸积过程中的相互作用。
• 确定在早期星系环境中，Eddington 限制吸积是否可在真实条件下实现。
• 推导一种物理解释性强、通用的吸积方案，用于早期黑洞成长的宇宙学模拟。

提出的方法

• 使用改进的基于网格的 VH-1 代码进行一维流体动力学模拟，达到前所未有的空间分辨率（~10^11 cm）。
• 纳入关键物理过程：辐射加热、电子散射压力，以及中心黑洞的光离化反馈。
• 自洽地包含气体自重力，此前的研究中被忽略，以评估其在对抗反馈增强吸积中的作用。
• 在宽范围（10^5 至 10^11 cm⁻³）内改变初始气体密度，并改变黑洞质量（10^2 至 10^9 M⊗）以探索参数空间。
• 采用改进的 Eddington 吸积率方案，考虑反馈与自重力影响，并基于模拟数据推导出拟合公式。
• 在热平衡假设下求解流体动力学方程，重点关注吸积对 n0M_BH 乘积的依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 原初气体云中 100 M⊙ 黑洞的辐射反馈是否能阻止 Eddington 限制吸积？自重力能否克服这种抑制？
• RQ2 在何种周围气体密度以上，100 M⊙ 黑洞的吸积可达到 Eddington 极限？
• RQ3 在不同黑洞质量和密度下，黑洞吸积速率与周围气体密度之间是否存在普遍关联？
• RQ4 与忽略自重力的模型相比，包含气体自重力如何改变平均吸积速率？
• RQ5 能否推导出一种简单且具有物理解释性的拟合公式，以替代宇宙学模拟中标准的 Bondi 吸积？

主要发现

• 与忽略自重力时仅约 25% 相比，气体自重力使吸积速率在一次自由落体 timescale 后提升至约 86% 的 Eddington 率。
• 对于 100 M⊙ 黑洞，吸积达到 Eddington 极限的临界气体密度约为 ~10^9 cm⁻³。
• 确立了黑洞吸积速率与周围气体密度之间的普遍关联：>M_BH = >M_Edd * (n0 / nc) / (1 + n0 / nc)^0.48，其中 nc = 2×10^8 cm⁻³。
• 由于引力内流与辐射反馈驱动的外流之间的相互作用，吸积行为表现出周期性振荡。
• 临界密度标度满足 n_crit * M_BH = 2×10^8 cm⁻³ * (100 M⊗ / M_BH)，表明其对乘积 n0M_BH 具有普遍依赖性。
• 推导出的拟合公式为标准 Bondi 吸积提供了更准确的替代方案，在密度低于 10^8 cm⁻³ 时，后者可能高估吸积达两个数量级。