[论文解读] Black Hole Growth from Cosmological N-body Simulations

Miroslav Mićić, Kelly Holley‐Bockelmann+1 more|ArXiv.org|May 20, 2008

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 2被引用 4

一句话总结

本研究利用高分辨率宇宙学N体模拟，从z ≈ 50的第三星族恒星种子开始，模拟中等质量和超大质量黑洞（IMBH至SMBH）从z ≈ 50到z = 0的演化过程。结果表明，合并驱动的气体吸积与黑洞并合——尤其在主要星系并合期间——是质量增长的主要机制，导致在z ≈ 10时并合速率达约25 yr⁻¹，并形成可观测为X射线源的大量幸存大质量黑洞。

ABSTRACT

(Abridged) We use high resolution cosmological N-body simulations to study the growth of intermediate to supermassive black holes from redshift 49 to zero. We track the growth of black holes from the seeds of population III stars to black holes in the range of 10^3 < M < 10^7 Msun -- not quasars, but rather IMBH to low-mass SMBHs. These lower mass black holes are the primary observable for the Laser Interferometer Space Antenna (LISA). The large-scale dynamics of the black holes are followed accurately within the simulation down to scales of 1 kpc; thereafter, we follow the merger analytically from the last dynamical friction phase to black hole coalescence. We find that the merger rate of these black holes is R~25 per year between 8 < z < 11 and R = 10 per year at z=3. Before the merger occurs the incoming IMBH may be observed with a next generation of X-ray telescopes as a ULX source with a rate of about ~ 3 - 7 per year for 1 < z < 5. We develop an analytic prescription that captures the most important black hole growth mechanisms: galaxy merger-driven gas accretion and black hole coalescence. Using this, we find that SMBH at the center of Milky Way type galaxy was in place with most of its mass by z = 4.7, and most of the growth was driven by gas accretion excited by major mergers. Hundreds of black holes have failed to coalesce with the SMBH by z=0, some with masses of 10000 Msun, orbiting within the dark matter halo with luminosities up to ~ 30000 Lsun. These X-ray sources can easily be observed with Chandra at ~ 100 kpc.

研究动机与目标

• 在宇宙学背景下，模拟中等质量与超大质量黑洞（IMBH至SMBH）由第三星族恒星残余形成的形成与增长过程。
• 量化低质量黑洞的并合速率，并评估其作为下一代X射线望远镜可观测的极端明亮X射线（ULX）源的可能性。
• 评估星系并合、气体吸积与黑洞并合在z = 0时将SMBH质量累积至约10³ M☉过程中的作用。
• 基于并合驱动的吸积与并合，建立一个简化的黑洞增长解析模型，并通过完整模拟进行验证。
• 评估引力波反冲对低质量暗物质晕中黑洞增长与保留的影响。

提出的方法

• 开展高分辨率宇宙学N体模拟，追踪从z ≈ 49到z = 0的黑洞增长过程，质量分辨率足以解析第三星族恒星的种子。
• 将大尺度黑洞动力学追踪至1 kpc，随后应用解析模型处理从动力摩擦到并合的最终并合阶段。
• 利用富含气体的星系并合模拟，结合反馈与恒星形成过程，标定黑洞质量吸积的解析增长模型。
• 将解析模型应用于构建类银河系的SMBH与暗物质晕，使其质量与红移演化与观测结果匹配。
• 通过识别在高温稀薄晕气体中的并合前IMBH，计算其X射线光度，估算ULX源的生成速率。
• 评估引力波反冲对黑洞保留的影响，指出反冲速度超过150 km s⁻¹可将黑洞从低质量晕中弹射出去。

实验结果

研究问题

• RQ1 在宇宙学N体模拟中，从z = 11到z = 0，中等质量与低质量超大质量黑洞的并合速率是多少？
• RQ2 星系并合及伴随的气体吸积如何驱动黑洞从第三星族恒星种子演化为SMBH？
• RQ3 并合前的中等质量黑洞是否可在z ≤ 5时作为极端明亮X射线（ULX）源被观测到？其观测速率如何？
• RQ4 引力波反冲如何影响高红移低质量暗物质晕中黑洞的保留与增长？
• RQ5 基于并合驱动吸积的简化解析模型能否重现类银河系SMBH的质量与红移演化？

主要发现

• 在z = 8至z = 11之间，黑洞并合速率约为25 yr⁻¹，至z = 3时下降至约10 yr⁻¹。
• 即使在第三星族恒星形成效率最低的预测条件下，并合速率仍维持在约2–3 yr⁻¹，仍为LISA的可行探测源。
• 并合前的IMBH可作为ULX源被观测，其光度可达约30,000 L☉，在1 ≤ z ≤ 5时的观测速率为约3–7 yr⁻¹。
• 模拟中类银河系SMBH在z = 0时达到约10⁶ M☉，其中大部分质量通过z ≈ 4.7时主要并合触发的气体吸积获得。
• 在z = 0时，仍有数百个质量高达10⁴ M☉的黑洞未发生并合，可能在约100 kpc距离处作为明亮X射线源被观测到。
• 引力波反冲速度超过150 km s⁻¹可将黑洞从低质量晕中弹射，从而抑制稀疏环境中的黑洞增长。