[论文解读] Forced accretion in stochastically fed AGN and quasars

Sergei Nayakshin, A. R. King|arXiv (Cornell University)|May 11, 2007

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文提出，活动星系核（AGN）和类星体中的超大质量黑洞（SMBH）由随机取向、低角动量的气体云团通过随机方式持续供给，导致扭曲的吸积盘形成，从而避免引力不稳定性并实现快速、强制性的吸积。该模型解释了AGN的关键特性，如康普顿厚遮蔽、与星系旋臂无相关性以及高效的反馈作用，同时解决了‘最终光年问题’和SMBH-星系质量关系问题。

ABSTRACT

Steady state accretion discs larger than ~ 0.01-0.1 pc are known to be gravitationally unstable for the accretion rates needed to explain super-massive black hole (SMBH) activity. We propose that SMBH are fed by a succession of mass deposition events with randomly directed angular momenta. Because of incomplete angular momentum cancellation a warped accretion disc forms in the inner few parsec. The orientation of the disc performs a random walk. Deposition of new material promotes SMBH accretion at rates much faster than viscous. Observational implications of this picture include: (i) lighter accretion discs that can fuel AGN and quasars and yet avoid star formation at R >> 0.1 pc; (ii) star formation inside the disc is not a function of mass accretion rate only. It can take place at high or low accretion rates, e.g., when too few clouds arrive in the inner region. An example of this might be the central parsec of our Galaxy. (iii) The discs can form Compton-thick obscuring structures of ~ parsec size as required in AGN unification models; (iv) faster black hole growth resulting from misalignment of the disc and the black hole spin in the early Universe; (v) Isotropic deposition of SMBH energy and momentum feedback in the galaxy bulge. This may help explain the high efficiency with which it seems to be operating in the Universe. (vi) No correlation between SMBH activity and the presence of kiloparsec scale bars or gaseous discs in galactic bulges; (vii) Bodily collisions between gaseous components of merging galaxies facilitate production of gas streams feeding the centre of the combined galaxy. Mergers should thus be catalysts of SMBH growth. (viii) Conversely, galaxies experiencing fewer mergers are more likely to form massive nuclear star clusters than feed their SMBHs.

研究动机与目标

• 解决在星系核球中存在大角动量的情况下，如何为活动星系核（AGN）和类星体中的超大质量黑洞（SMBH）提供物质供给的理论难题。
• 解决在~0.01–0.1 pc以外区域，由于引力碎裂和恒星形成导致的高密度、冷态吸积盘不稳定性问题。
• 解释尽管吸积率很高，为何在AGN中未观测到大尺度气态盘结构。
• 提供一种机制，实现SMBH的高效增长和各向同性反馈，而无需依赖大型设计盘或强星系结构。
• 解释低质量星系中核球星团与SMBH之间观测到的二元性差异。

提出的方法

• 通过随机角动量方向的气体云团随机沉积来模拟SMBH吸积，导致角动量部分抵消，实现净角动量转移。
• 使用自引力半径 $ R_{\rm sg} \rightarrow 0.01-0.1 $ pc 作为盘不稳定性的阈值，该值由 $ R_{\rm sg} \rightarrow 0.01\text{pc} \times \tilde{M}^{-2/7} $ 推导得出，用于定义盘发生碎裂的区域。
• 证明由于角动量沉积方向不一致，会形成扭曲的吸积盘，且这些扭曲的持续时间超过粘性 timescale。
• 应用盘稳定性的条件：$ M_{\rm disc} < 0.002 M_{\rm bh} $，以确保在 $ R_{\rm sg} $ 之外区域保持引力稳定。
• 估算柱密度 $ \tilde{\rho} \rightarrow 20 M_8^{5/7} R_{\rm pc}^{-13/7} t_5^{-1/7} $，以评估康普顿厚遮蔽的潜力。
• 将合并引发的气体流与增强的供料速率联系起来，尤其在大质量合并期间，以解释高吸积率和SMBH的增长。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在没有大尺度、稳定吸积盘（在~0.01–0.1 pc以外区域引力不稳定）的前提下，高效地为SMBH供料？
• RQ2 在潜在盘体质量大、温度低的条件下，AGN如何在内 parsec 区域避免恒星形成的同时维持高吸积率？
• RQ3 何种机制可解释AGN统一模型中约1 pc尺度的康普顿厚遮蔽结构的形成？
• RQ4 为何AGN活动与千秒差距尺度的旋臂或星系核球中的气态盘之间无观测相关性？
• RQ5 随机云团吸积与角动量部分抵消如何影响SMBH的增长以及核球星团的形成？

主要发现

• 随机角动量方向的随机云团吸积导致角动量无法完全抵消，从而实现超过粘性 timescale 的快速、强制性吸积。
• 扭曲的吸积盘可延伸至约10 pc，远大于自引力半径 $ R_{\rm sg} \rightarrow 0.01-0.1 $ pc，从而避免引力不稳定性。
• 当盘质量 $ M_{\rm disc} < 0.002 M_{\rm bh} $ 时，盘保持引力稳定，防止内区碎裂和恒星形成。
• 柱密度估算表明，此类扭曲盘可形成约1 pc尺度的康普顿厚吸收体，与AGN统一模型一致。
• 低光度AGN（LLAGN）预计比更明亮的赛克特星系更少被遮蔽，因为其盘要么迅速变平，要么过快碎裂，无法形成厚遮蔽结构。
• 大质量星系合并可通过整体碰撞促进气体流供料，增强SMBH增长，并可能通过气体驱动的双星收缩机制，解决‘最终光年问题’。