[论文解读] How the super-Eddington regime regulates black hole growth in high-redshift galaxies

Warren Massonneau, Marta Volonteri+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究利用高分辨率流体动力学模拟，探究超爱丁顿吸积及其相关喷流反馈如何调控高红移星系中黑洞（BH）的生长。研究发现，尽管强喷流反馈可通过强大喷流迅速将气体排出，从而实现对黑洞生长的自洽调节，但较弱的喷流反馈反而允许更频繁的超爱丁顿吸积事件，使黑洞质量增长略快——在80 Myr内比爱丁顿极限吸积多出最多15%。

ABSTRACT

Super-Eddington accretion is one scenario that may explain the rapid assembly of $\sim 10^9 m\, M_\odot$ supermassive black holes (BHs) within the first billion year of the Universe. This critical regime is associated with radiatively inefficient accretion and accompanied by powerful outflows in the form of winds and jets. By means of hydrodynamical simulations of BH evolution in an isolated galaxy and its host halo with 12 pc resolution, we investigate how super-Eddington feedback affects the mass growth of the BH. It is shown that super-Eddington feedback efficiently prevents BH growth within a few Myr. The super-Eddington accretion events remain relatively mild with typical rates of about 2-3 times the Eddington limit, because of the efficient regulation by jets in that regime. We find that these jets are powerful enough to eject gas from the centre of the host galaxy all the way up to galactic scales at a few kpc, but do not significantly impact gas inflows at those large scales. By varying the jet feedback efficiency, we find that weaker super-Eddington jets allow for more significant BH growth through more frequent episodes of super-Eddington accretion. We conclude that effective super-Eddington growth is possible, as we find that simulations with weak jet feedback efficiencies provide a slightly larger BH mass evolution over long periods of time ($\sim 80\, m Myr$) than that for a BH accreting at the Eddington limit.

研究动机与目标

• 理解超爱丁顿吸积与反馈如何调控高红移星系中黑洞的生长。
• 评估喷流反馈在控制超爱丁顿吸积事件持续时间与频率中的作用。
• 确定尽管存在强烈反馈，超爱丁顿吸积是否仍能导致显著的黑洞质量增长。
• 考察超爱丁顿反馈对从10 pc到若干kpc尺度上气体流入与流出的影响。

提出的方法

• 对一个中心含10^6 M⊙黑洞的孤立高红移星系执行12 pc分辨率的流体动力学模拟。
• 修改RAMSES代码以移除爱丁顿极限上限，并实现动能（喷流）与热反馈。
• 模拟不同反馈模式：含喷流的超爱丁顿（'sEdd'）、仅含热反馈的超爱丁顿（'sEddThm'）以及爱丁顿极限吸积。
• 通过调节喷流反馈效率，研究其对黑洞生长与气体动力学的影响。
• 追踪从10 pc到kpc尺度上黑洞质量演化、气体密度、温度与外流特性。
• 使用yt对模拟输出进行可视化与分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在强烈反馈，超爱丁顿吸积是否仍能在高红移星系中导致显著的黑洞质量增长？
• RQ2 喷流反馈与热反馈在调控超爱丁顿吸积事件的持续时间与频率方面有何差异？
• RQ3 超爱丁顿喷流在星系尺度（kpc）上对气体流入的影响有多大？
• RQ4 喷流反馈效率（取决于黑洞自旋或MAD状态）如何影响黑洞生长？
• RQ5 超爱丁顿反馈对黑洞生长自洽调节的净效应是什么？

主要发现

• 当存在强大喷流时，超爱丁顿反馈在数百万年内即实现自洽调节，黑洞在超爱丁顿状态的时间不足1%。
• 最强烈的超爱丁顿事件峰值可达爱丁顿极限的2–3倍，随后迅速回落至亚爱丁顿状态。
• 较弱的喷流反馈允许更频繁的超爱丁顿事件，使无喷流模拟中该状态的总时间占比高达70%。
• 强大喷流可将气体从星系中心向外喷射至数kpc范围，使黑洞周围气体密度降低数个数量级；而弱热反馈仅形成局部高温气泡。
• 在kpc尺度上，若星系盘面与喷流轴垂直，喷流不会显著扰乱气体流入，可维持约10^3 km/s的持续外流。
• 即使在最弱的喷流反馈条件下，黑洞质量增长在80 Myr内也仅比爱丁顿极限吸积多约15%，表明极端超爱丁顿增长的潜力有限。