[论文解读] Cosmological simulations of quasar fueling to sub-parsec scales using Lagrangian hyper-refinement

Daniel Anglés‐Alcázar, Eliot Quataert+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 377被引用 102

一句话总结

本研究首次通过拉格朗日超细化方法，在宇宙学背景下对类星体质量黑洞周围亚秒差距尺度（0.1 pc）的气体流入进行了模拟。结果显示，在红移 z ≈ 2 时，流入速率可达约 6 M⊙ yr⁻¹，由多尺度恒星非轴对称结构引起的引力扭矩驱动，由于热空腔的形成导致其具有高度可变的活跃周期；研究还表明，吸积气体形成了非共面、具有转动支持的遮挡结构。

ABSTRACT

We present cosmological hydrodynamic simulations of a quasar-mass halo ($M_{ m halo} \approx 10^{12.5}\,{ m M}_{\odot}$ at z=2) that for the first time resolve gas transport down to the inner 0.1 pc surrounding the central massive black hole. We model a multi-phase interstellar medium including stellar feedback by supernovae, stellar winds, and radiation, and a hyper-Lagrangian refinement technique increasing the resolution dynamically approaching the black hole. We do not include black hole feedback. We show that the sub-pc inflow rate (1) can reach ~6 M$_{\odot}$yr$^{-1}$ roughly in steady state during the epoch of peak nuclear gas density (z~2), sufficient to power a luminous quasar, (2) is highly time variable in the pre-quasar phase, spanning 0.001-10 M$_{\odot}$yr$^{-1}$ on Myr timescales, and (3) is limited to short (~2 Myr) active phases (0.01-0.1 M$_{\odot}$yr$^{-1}$) followed by longer periods of inactivity at lower nuclear gas density and late times (z~1), owing to the formation of a hot central cavity. Inflowing gas is primarily cool, rotational support dominates over turbulence and thermal pressure, and star formation can consume as much gas as provided by inflows across 1 pc - 10 kpc. Gravitational torques from multi-scale stellar non-axisymmetries dominate angular momentum transport over gas self-torquing and pressure gradients, with accretion weakly dependent on black hole mass. Sub-pc inflow rates correlate with nuclear (but decouple from global) star formation and can exceed the Eddington rate by x10. The black hole can move ~10 pc from the galaxy center on ~0.1 Myr. Accreting gas forms pc-scale, rotationally supported, obscuring structures often misaligned with the galaxy-scale disk. These simulations open a new avenue to investigate black hole-galaxy co-evolution.

研究动机与目标

• 在宇宙学背景下模拟类星体质量黑洞周围亚秒差距尺度的气体流入。
• 研究从千秒差距到亚秒差距尺度气体输运的物理机制，且不包含黑洞反馈。
• 评估恒星反馈、多相星际介质和引力扭矩在调节黑洞燃料供给中的作用。
• 检验结果对数值分辨率和引力软化方案的鲁棒性。
• 探索遮挡结构的形成以及黑洞在短 timescales 内的运动。

提出的方法

• 采用具有拉格朗日超细化的宇宙学流体动力学模拟，动态提升黑洞附近的分辨率。
• 基于 FIRE-2 框架，对多相星际介质进行建模，包含超新星、恒星风和辐射的恒星反馈。
• 采用自适应引力软化和恒星分裂技术，以提高力的分辨率和数值收敛性。
• 追踪从 1 pc 到 10 kpc 尺度的气体流入速率、角动量输运和恒星形成。
• 采用混合吸积模型，在分辨率提高时由亚网格模型切换至解析粒子捕获。
• 在多个分辨率层级和数值实现方式下进行收敛性测试，以验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在红移 z ≈ 2 时，类星体质量黑洞内 0.1 pc 范围内的气体流入速率的平均值和时间变异性如何？
• RQ2 在星系最内区，主导角动量输运的物理机制是什么？
• RQ3 热中心空腔的形成如何影响黑洞吸积的活跃周期？
• RQ4 遮挡结构在亚秒差距区域形成到何种程度？它们是否与星系尺度盘面对齐？
• RQ5 流入速率和黑洞质量增长对数值分辨率和引力软化方案的敏感性如何？

主要发现

• 在 z ≈ 2 时，当核区气体密度达到峰值，亚秒差距尺度的气体流入速率在稳态下可达 ~6 M⊙ yr⁻¹，足以驱动明亮类星体。
• 在类星体形成前的阶段，流入速率在 Myr 时间尺度上高度可变，范围为 0.001–10 M⊙ yr⁻¹。
• 吸积仅在短时间活跃期（约 2 Myr）内发生，速率为 0.01–0.1 M⊙ yr⁻¹，随后因形成高温、低密度的中心空腔而进入休眠状态。
• 多尺度恒星非轴对称结构引起的引力扭矩主导了角动量输运，且吸积对黑洞质量的依赖性较弱。
• 流入速率可超过爱丁顿速率达 10 倍，黑洞可在约 0.1 Myr 时间尺度内从星系中心移动 ~10 pc。
• 吸积气体形成了 pc 尺度、具有转动支持的遮挡结构，且通常与星系尺度盘面非共面。