[论文解读] Sunyaev-Zel'dovich constraints from black hole-seeded proto-galaxies

N. Aghanim, C. Balland+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2000

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文建模了黑洞种子原星系在其早期激波加热阶段的热与动力学太阳亚夫-泽尔多维奇（SZ）效应，预测了显著的光谱畸变和小尺度宇宙微波背景（CMB）各向异性。利用COBE-FIRAS的限制，本文对黑洞种子原星系的比例和黑洞与星系体质量比进行了约束，若密度分布为等温分布，则只有极低的黑洞质量分数（$\sim10^{-3}$）或紧凑核心分布（$p \lesssim 1/30$）与观测一致。

ABSTRACT

Recent studies of galactic nuclei suggest that most galaxies are seeded by super-massive black holes which power the central nucleus. In this picture, the proto-galactic object is likely to have undergone a very active phase during which the surrounding medium was shocked and heated up to very high temperatures. We predict the cosmological effects of this scenario in terms of the thermal and kinetic Sunyaev-Zel'dovich distortions induced on galactic scales by a population of proto-galaxies. These predictions are compared to the observational limit on the mean Compton distortion set by the COBE-FIRAS instrument. This enables us to derive tight constraints on the fraction of proto-galaxies seeded by super-massive black holes as well as on the black hole-to-spheroid mass ratio. Finally, we estimate the contribution of such a population to the angular power spectrum of the Cosmic Microwave Background temperature anisotropies on very small angular scales ($l\simeq 10^4-10^5$).

研究动机与目标

• 研究黑洞驱动的激波加热在原星系中对宇宙微波背景（CMB）的宇宙学影响。
• 计算由早期原星系群体引起的热与动力学太阳亚夫-泽尔多维奇（SZ）畸变。
• 将预测的康普顿 $y$-参数和角功率谱与COBE-FIRAS观测进行比较，以约束模型参数。
• 评估原星系对小尺度CMB温度各向异性的贡献，特别是 $l \sim 10^4 - 10^5$ 波数范围。
• 利用观测限制推导出黑洞种子原星系比例和黑洞与星系体质量比的约束。

提出的方法

• 建模中心超大质量黑洞以 $\epsilon_E = 0.1 - 0.2$ 的爱丁顿光度输出能量时对原星系气体的激波加热。
• 通过积分 $y = 2 \int_0^R \frac{kT}{m_e c^2} \sigma_T n_e(l) \, dl$ 计算康普顿 $y$-参数，表示热化激波气体引起的热SZ效应。
• 利用 $\delta T / T = (v_r / c) \cdot 2 \int_0^R \sigma_T n_e(l) \, dl$ 计算动力学SZ各向异性，考虑激波气体的整体运动。
• 应用普雷斯-谢克特质量函数估算宇宙时空中原星系的数量密度。
• 模拟次级CMB各向异性的角功率谱，将原星系贡献与初级各向异性和其他次级效应进行比较。
• 利用COBE-FIRAS对全局康普顿畸变的限制，推导出模型 $y$-参数的上限，从而约束 $f$、$\epsilon_{BH}$、$\alpha$ 和 $p$。

实验结果

研究问题

• RQ1 在激波加热阶段，黑洞种子原星系群体的热与动力学太阳亚夫-泽尔多维奇效应的预测幅度是多少？
• RQ2 原星系产生的全局康普顿 $y$-参数与COBE-FIRAS对光谱畸变的观测限制相比如何？
• RQ3 可以对由超大质量黑洞种子的原星系比例和黑洞与星系体质量比施加哪些约束？
• RQ4 原星系SZ效应对非常小角尺度（$l \sim 10^4 - 10^5$）的CMB角功率谱有何贡献？
• RQ5 预测对气体密度分布假设（如King分布与等温分布）及核心半径的敏感性如何？

主要发现

• 该模型预测，原星系激波加热可产生显著的CMB光谱畸变和小尺度各向异性，尤其在 $l \sim 10^4 - 10^5$ 范围内。
• 若气体密度分布为等温分布，则核心半径必须至少比爱丁顿半径小30倍（$p \lesssim 1/30$），才能满足COBE-FIRAS约束。
• 对于等温分布，黑洞与星系体质量比必须很小，约为 $\epsilon_{BH} \sim 10^{-3}$，才能与观测一致。
• 若密度分布近似为King分布，则对 $\epsilon_{BH}$ 和 $p$ 的约束变松，允许更宽广的参数空间。
• 原星系产生的全局康普顿 $y$-参数对宇宙密度参数 $\Omega_0$ 相对不敏感，表现出对 $\Omega_0 = 1$ 或 $0.3$ 的微弱依赖性。
• 在非常小角尺度上，原星系的动力学SZ效应主导其他次级效应，未来仪器（如ALMA）可能探测到该信号。