[论文解读] Formation of Nuclear Disks and Supermassive Black Hole Binaries in Multi-Scale Hydrodynamical Galaxy Mergers

Lucio Mayer, Stelios Kazantzidis+1 more|ArXiv.org|Jul 22, 2008

Astronomy and Astrophysical Research被引用 4

一句话总结

本研究利用多尺度流体动力学模拟表明，合并星系中的潮汐力矩可驱动快速气体内流，形成致密的核盘面，使超大质量黑洞（SMBH）双星在100万年以内通过气体阻力形成。模拟结果显示，强烈的辐射反馈会抑制双星形成，而高分辨率模型（0.1 pc）表明，旋臂引起的角动量输运导致中心聚集约10⁸ M☉的质量团块，使SMBHs在约1 pc的间距处停滞，这是由于动力摩擦减弱所致。

ABSTRACT

(Abridged) We review the results of the first multi-scale, hydrodynamical simulations of mergers between galaxies with central supermassive black holes (SMBHs) to investigate the formation of SMBH binaries in galactic nuclei. We demonstrate that strong gas inflows produce nuclear disks at the centers of merger remnants whose properties depend sensitively on the details of gas thermodynamics. In numerical simulations with parsec-scale spatial resolution in the gas component and an effective equation of state appropriate for a starburst galaxy, we show that a SMBH binary forms very rapidly, less than a million years after the merger of the two galaxies. Binary formation is significantly suppressed in the presence of a strong heating source such as radiative feedback by the accreting SMBHs. We also present preliminary results of numerical simulations with ultra-high spatial resolution of 0.1 pc in the gas component. These simulations resolve the internal structure of the resulting nuclear disk down to parsec scales and demonstrate the formation of a central massive object (~ 10^8 Mo) by efficient angular momentum transport. This is the first time that a radial gas inflow is shown to extend to parsec scales as a result of the dynamics and hydrodynamics involved in a galaxy merger, and has important implications for the fueling of SMBHs. Due to the rapid formation of the central clump, the density of the nuclear disk decreases significantly in its outer region, reducing dramatically the effect of dynamical friction and leading to the stalling of the two SMBHs at a separation of ~1 pc. We discuss how the orbital decay of the black holes might continue in a more realistic model which incorporates star formation and the multi-phase nature of the ISM.

研究动机与目标

• 利用多尺度流体动力学模拟研究星系合并中超大质量黑洞（SMBH）双星的形成机制。
• 确定气体内流与核盘面结构如何影响SMBH轨道衰减与双星形成。
• 评估辐射反馈与恒星形成对动力摩擦效率及双星硬化的影响。
• 探讨高分辨率气体动力学在实现角动量输运与中心质量聚集中的作用。
• 理解SMBH双星因动力摩擦减弱而在约1 pc尺度间距处停滞的条件。

提出的方法

• 开展N体+光滑粒子流体动力学（SPH）模拟，动态范围涵盖从数百千秒差距至亚秒差距尺度（0.1 pc分辨率）。
• 采用适用于星暴星系的多相星际介质（ISM）模型，包含冷却与加热过程的有效方程状态。
• 以0.3 × M_gas / T_orb的恒星形成率建模，其中T_orb ≈ 10⁶ yr（在25 pc处），以模拟核盘面中气体的消耗。
• 通过吸积SMBH的辐射反馈评估其对气体内流与双星形成的抑制作用。
• 基于银河系初始条件（M_vir = 10¹² M☉，c = 12，λ = 0.031）模拟星系合并，包括恒星盘、星系核球与NFW暗物质晕。
• 使用高分辨率模拟（0.1 pc）以解析核盘面的内部结构，并追踪通过旋臂的角动量输运。

实验结果

研究问题

• RQ1 合并星系中的潮汐力矩如何驱动气体内流，在约1 pc尺度形成核盘面？
• RQ2 气体阻力在合并残余星系中如何促成SMBH双星的快速形成？
• RQ3 吸积SMBH的辐射反馈如何抑制SMBH双星的形成？
• RQ4 核盘面中的恒星形成在多大程度上稳定盘面并减少气体内流，从而影响双星演化？
• RQ5 SMBH双星为何在约1 pc间距处停滞？在包含多相ISM与恒星形成的更真实模型中，这种停滞是否可被克服？

主要发现

• 由于潮汐力矩形成的致密核盘面产生强烈的气体阻力，SMBH双星在并合后不到100万年即形成。
• 吸积SMBH产生的强烈辐射反馈显著抑制气体内流，并抑制双星形成。
• 高分辨率模拟（0.1 pc）显示，核盘面中的旋臂可实现高效的角动量输运，导致中心聚集约10⁸ M☉的质量团块。
• 大质量中心团块的形成降低了外盘的气体面密度，减弱了动力摩擦，使SMBHs在约1 pc间距处停滞。
• 内几光年范围内的恒星形成可消耗大量气体，提高盘面的Toomre Q参数并稳定盘面，从而削弱旋臂结构并减少内流。
• 在包含多相ISM与恒星形成的更真实模型中，SMBH的轨道衰减可能继续进行，可能使双星进一步硬化至1 pc以下。