[论文解读] Simulating the formation of massive seed black holes in the early Universe. III: The influence of X-rays

Simon C. O. Glover|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2016

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 1被引用 10

一句话总结

本研究探讨了高红移X射线背景对金属贫乏、原子冷却晕中抑制分子氢（H$_2$）形成所必需的临界紫外（UV）辐射场强度（$J_{\rm crit}$）的影响，从而实现原初直接坍缩黑洞（DCBH）的形成。通过基于反应的化学网络简化方法，研究发现当X射线通量较高时，$J_{\rm crit} \propto J_{\rm X}^{1/2}$，并识别出屏蔽假设是主要的不确定性来源，其中$J_{\rm crit}$对电离截面细节不敏感，但对H/He屏蔽长度敏感。

ABSTRACT

The direct collapse black hole (DCBH) model attempts to explain the observed number density of supermassive black holes in the early Universe by positing that they grew from seed black holes with masses of $10^{4}$-$10^{5} \: { m M_{\odot}}$ that formed by the quasi-isothermal collapse of gas in metal-free protogalaxies cooled by atomic hydrogen emission. For this model to work, H$_{2}$ formation must be suppressed in at least some of these systems by a strong extragalactic radiation field. The predicted number density of DCBH seeds is highly sensitive to the minimum value of the ultraviolet (UV) flux required to suppress H$_{2}$ formation, $J_{ m crit}$. In this paper, we examine how the value of $J_{ m crit}$ varies as we vary the strength of a hypothetical high-redshift X-ray background. We confirm earlier findings that when the X-ray flux $J_{ m X}$ is large, the critical UV flux scales as $J_{ m crit} \propto J_{ m X}^{1/2}$. We also carefully explore possible sources of uncertainty arising from how the X-rays are modelled. We use a reaction-based reduction technique to analyze the chemistry of H$_{2}$ in the X-ray illuminated gas and identify a critical subset of 35 chemical reactions that must be included in our chemical model in order to predict $J_{ m crit}$ accurately. We further show that $J_{ m crit}$ is insensitive to the details of how secondary ionization or He$^{+}$ recombination are modelled, but does depend strongly on the assumptions made regarding the column density of the collapsing gas.

研究动机与目标

• 确定高红移X射线背景如何影响金属贫乏、原子冷却晕中抑制H$_2$形成所需的临界UV辐射场强度（$J_{\rm crit}$）。
• 评估$J_{\rm crit}$对X射线背景建模中不确定性的敏感性，包括能谱形状、电离截面和屏蔽方案。
• 识别在DCBH模拟中准确预测$J_{\rm crit}$所需的最少化学反应集合。
• 评估次级电离和He$^+$复合处理对$J_{\rm crit}$的影响。
• 量化关于气体柱密度和屏蔽长度的假设如何影响预测的DCBH种子数密度。

提出的方法

• 采用基于反应的化学网络简化方法的1D流体动力学模拟，以分离出在X射线和UV辐照下H$_2$形成与破坏最关键的35个反应。
• 使用能量依赖的截面和谱指数（$\alpha = 1$ 至 $1.8$）对X射线光致电离和次级电离进行建模。
• 实施可变屏蔽长度（$L_{\rm c} = \lambda_{\rm J}$ 和 $L_{\rm c} = \lambda_{\rm J}/2$）以测试坍缩气体中X射线屏蔽的敏感性。
• 采用标准的H和He光致电离截面拟合公式，并比较不同参数化形式以评估其对$J_{\rm crit}$的影响。
• 系统性地改变X射线背景参数，包括低能截止（$h\nu_{\rm min}$）和谱指数（$\alpha$），以评估其对$J_{\rm crit}$的影响。
• 将结果与先前研究（特别是Inayoshi & Tanaka, 2015）进行比较，以分离出建模选择导致的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 X射线背景的强度（$J_{\rm X}$）如何影响DCBH形成晕中抑制H$_2$形成所需的临界UV通量（$J_{\rm crit}$）？
• RQ2 在高X射线通量区域，$J_{\rm crit}$对$J_{\rm X}$的函数关系为何？
• RQ3 在坍缩气体中，$J_{\rm crit}$对假设的X射线屏蔽长度有多敏感？
• RQ4 次级电离、He$^+$复合和光致电离截面的不确定性在多大程度上影响预测的$J_{\rm crit}$？
• RQ5 X射线谱的变化（如谱指数、低能截止）如何影响临界UV阈值？

主要发现

• 在高X射线通量下，临界UV通量满足$J_{\rm crit} \propto J_{\rm X}^{1/2}$，与早期理论预期一致。
• 由于采用了更现实的屏蔽长度假设（$L_{\rm c} = \lambda_{\rm J}$ 对比 $\lambda_{\rm J}/2$），预测的$J_{\rm crit}$相比Inayoshi & Tanaka (2015)降低了最多两倍。
• 为准确预测$J_{\rm crit}$，需要一个包含35个反应的最小化学网络，其中包括Glover (2015a)的26个反应加上在强X射线辐照下额外的9个反应。
• 当使用适当的拟合公式时，$J_{\rm crit}$对H和He光致电离截面参数化形式的选择不敏感。
• 在所建模条件下，结果与He$^+$复合的处理方式无关，因为与H的电荷转移是主要的损失通道。
• 临界UV通量对次级电离处理方式仅有微弱依赖性，但对假设的屏蔽长度和X射线谱形高度敏感，谱指数的变化在高$J_{\rm X}$下最多使$J_{\rm crit}$变化50%。