[论文解读] The formation and evolution of massive black hole seeds in the early Universe

Priyamvada Natarajan|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 6

一句话总结

本文通过蒙特卡洛并合树方法追踪原初气体盘在高红移暗物质晕中直接坍缩形成大质量黑洞种子的形成与演化，研究了黑洞质量的累积过程。结果表明，大质量种子优先在高自旋、高质量的晕中形成，导致低质量、无星系核球的星系中黑洞占据率较低，并在本地 $M_{\rm bh}-\sigma$ 关系中表现出明显的低质量端特征，对种子形成效率及不同模型的观测区分具有重要启示。

ABSTRACT

Tracking the evolution of high redshift seed black hole masses to late times, we examine the observable signatures today. These massive initial black hole seeds form at extremely high redshifts from the direct collapse of pre-galactic gas discs. Populating dark matter halos with seeds formed in this fashion, we follow the mass assembly history of these black holes to the present time using a Monte-Carlo merger tree approach. Utilizing this formalism, we predict the black hole mass function at high redshifts and at the present time; the integrated mass density of black holes in the Universe; the luminosity function of accreting black holes as a function of redshift and the scatter in observed, local M-sigma relation. Comparing the predictions of the `light' seed model with these massive seeds we find that significant differences appear predominantly at the low mass end of the present day black hole mass function. However, all our models predict that low surface brightness, bulge-less galaxies with large discs are least likely to be sites for the formation of massive seed black holes at high redshifts. The efficiency of seed formation at high redshifts has a direct influence on the black hole occupation fraction in galaxies at z=0. This effect is more pronounced for low mass galaxies. This is the key discriminant between the models studied here and the Population III remnant `light' seed model. We find that there exists a population of low mass galaxies that do not host nuclear black holes. Our prediction of the shape of the M-sigma relation at the low mass end and increased scatter has recently been corroborated by observations.

研究动机与目标

• 通过前星系晕中原始气体盘的直接坍缩，模拟早期宇宙中大质量黑洞种子的形成与演化。
• 评估高红移时种子形成效率如何影响 $z=0$ 时星系中黑洞的占据率，特别是低质量与无核球系统中的情况。
• 基于不同的种子质量模型，预测现今的黑洞质量函数、吸积黑洞的光度函数以及 $M_{\rm bh}-\sigma$ 关系中的离散度。
• 利用低红移可观测特征区分大质量种子模型与传统的第三星族残骸‘轻种子’模型。
• 评估早期种子形成对本地超大质量黑洞及其宿主星系群体特征的长期观测痕迹。

提出的方法

• 采用蒙特卡洛并合树方法，从高红移（$z>15$）追踪黑洞质量累积历史至现今。
• 应用Lodato & Natarajan（2006）的解析模型，根据晕自旋、气体分数和Toomre参数 $Q_{\rm c}$ 计算种子质量，其中 $M_{\rm BH}$ 由包含 $\lambda_{\rm max}$ 和驻波温度的闭式表达式给出。
• 设定临界温度阈值 $T_{\rm max}$，超过该值时盘的碎裂将阻止种子形成，从而限制可行晕的质量范围。
• 基于自旋与质量标准向暗物质晕中植入种子，形成效率取决于 $Q_{\rm c}$ 和晕的紧凑性。
• 通过分层并合与吸积模拟黑洞增长，追踪黑洞质量函数与 $M_{\rm bh}-\sigma$ 关系的演化。
• 对比不同种子形成效率下模型的预测结果，特别对比大质量种子（$10^5-10^6 M_\odot$）与第三星族残骸形成的轻种子。

实验结果

研究问题

• RQ1 高红移晕中大质量黑洞种子的形成效率如何影响低红移星系中黑洞的占据率？
• RQ2 在本地宇宙中，哪些可观测特征可将大质量种子模型与传统的第三星族残骸‘轻种子’模型区分开来？
• RQ3 本地 $M_{\rm bh}-\sigma$ 关系的形状与离散度如何依赖于初始种子质量函数与形成效率？
• RQ4 为何低表面亮度、无核球且具有大尺度盘的星系在高红移时不太可能拥有大质量黑洞种子？
• RQ5 在低红移时，其他吸积或增长机制在多大程度上会掩盖或补偿初始种子模型之间的差异？

主要发现

• 大质量黑洞种子（$M \approx 10^5-10^6 M_\odot$）在 $z>15$ 时优先在高自旋、高质量晕中形成，其形成效率强烈依赖于Toomre参数 $Q_{\rm c}$。
• 模型预测在 $z=0$ 时，大量低质量星系不包含中心黑洞，与近期哈勃空间望远镜观测结果一致，即低质量端的 $M_{\rm bh}-\sigma$ 关系趋于平缓。
• 本地 $M_{\rm bh}-\sigma$ 关系的离散度在大质量种子模型中预测更大，这一特征现已得到观测数据的证实。
• 大质量种子与轻种子模型之间的差异在现今黑洞质量函数的低质量端最为显著，其中大质量种子导致低质量端斜率更陡。
• 星系中黑洞的占据率在很大程度上独立于后续的吸积机制，使其成为早期种子形成过程的稳健示踪指标。
• 在黑洞质量函数的高质质量端，初始种子模型的影响减弱，由于后期吸积与并合过程占主导，模型间的差异在 $z \sim 3$ 时已不显著。