[论文解读] The growth of the gargantuan black holes powering high-redshift quasars and their impact on the formation of early galaxies and protoclusters

Jake S. Bennett, Debora Sijacki+3 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究通过高分辨率聚焦模拟表明，早期黑洞成核与适度超爱丁顿吸积可使高红移类星体在 z ≈ 6.3 前形成质量高达 10^10 M⊙ 的巨型黑洞。模拟显示，此类快速吸积驱动强烈的喷出式反馈，将富含金属的气体排入星系晕（CGM），抑制恒星形成，并削弱X射线与松德瓦-泽尔多维奇（Sunyaev-Zeldovich）图谱中的可观测信号——为未来望远镜如Lynx和ALMA提供了可检验的预测。

ABSTRACT

High-redshift quasars ($z\gtrsim6$), powered by black holes (BHs) with large inferred masses, imply rapid BH growth in the early Universe. The most extreme examples have inferred masses of $\sim \! 10^9\,$M$_\odot$ at $z = 7.5$ and $\sim \! 10^{10}\,$M$_\odot$ at $z = 6.3$. Such dramatic growth via gas accretion likely leads to significant energy input into the quasar host galaxy and its surroundings, however few theoretical predictions of the impact of such objects currently exist. We present zoom-in simulations of a massive high-redshift protocluster, with our fiducial FABLE model incapable of reproducing the brightest quasars. With modifications to this model to promote early BH growth, such as earlier seeding and mildly super-Eddington accretion, such `gargantuan' BHs can be formed. With this new model, simulated host dust masses and star formation rates are in good agreement with existing JWST and ALMA data from ultraluminous quasars. We find the quasar is often obscured as it grows, and that strong, ejective feedback is required to have a high probability of detecting the quasar in the rest-frame UV. Fast and energetic quasar-driven winds expel metal-enriched gas, leading to significant metal pollution of the circumgalactic medium (CGM) out to twice the virial radius. As central gas densities and pressures are reduced, we find weaker signals from the CGM in mock X-ray and Sunyaev-Zeldovich maps, whose detection - with proposed instruments such as Lynx, and even potentially presently with ALMA - can constrain quasar feedback.

研究动机与目标

• 研究 z ≳ 6 时驱动高红移类星体的超大质量黑洞（10^9–10^10 M⊙）的形成机制。
• 评估此类黑洞增长对星系与原星系团演化的影响，特别是通过活动星系核（AGN）反馈。
• 调和 z ≈ 6–7 类星体观测到的高质​​量与高亮度与黑洞吸积及反馈理论模型之间的矛盾。
• 预测类星体反馈在星系晕（CGM）中的可观测特征，包括X射线与松德瓦-泽尔多维奇（SZ）效应。
• 评估这些系统在Rest-frame紫外波段的可探测性，以及从邻近区推断出的类星体短寿命所导致的影响。

提出的方法

• 对一个大质量高红移原星系团执行高分辨率、聚焦式宇宙学模拟，以模拟黑洞增长与反馈过程。
• 在FABLE（Baryons and Luminous Emission中的反馈）模型基础上，调整吸积与成核参数，以实现早期且快速的黑洞增长。
• 施加适度超爱丁顿吸积与更早的黑洞成核（从 z ≈ 20 时的 10^5 M⊙ 种子开始），以重现观测到的类星体质量。
• 通过高速、高能风模型实现AGN反馈，将富含金属的气体从宿主星系排出并注入星系晕（CGM），降低中心气体密度与压力。
• 生成CGM中X射线与SZ信号的模拟观测结果，以与Lynx、AXIS及CMB-S4等未来仪器进行对比。
• 将模拟的尘埃质量与恒星形成率与JWST及ALMA对超亮类星体（如J0100+2802）的观测数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高红移类星体中，形成质量达 10^10 M⊙ 的黑洞需满足何种吸积与成核条件，才能在 z ≈ 6.3 前实现？
• RQ2 强烈的喷出式AGN反馈如何影响星系晕（CGM）以及类星体在Rest-frame紫外波段及其他波段的可探测性？
• RQ3 未来望远镜可通过何种可观测特征（如X射线或SZ效应）来约束CGM中类星体反馈？
• RQ4 为何高红移类星体如J0100+2802常被遮蔽？这与推断出的短寿命及高吸积率有何关联？
• RQ5 反馈驱动的喷流在多大程度上抑制恒星形成，并改变早期星系与原星系团的气体结构？

主要发现

• 在FABLE模型中引入更早的黑洞成核与适度超爱丁顿吸积，可使黑洞在 z ≈ 6.3 前形成质量达 10^10 M⊙ 的类星体，与J0100+2802的观测结果一致。
• 模拟的宿主星系尘埃质量与恒星形成率与JWST及ALMA对超亮类星体的观测结果高度吻合。
• 类星体在其增长阶段常被遮蔽，与邻近区尺寸较小（暗示类星体寿命 <10^5 yr）的观测结果一致。
• 强烈的喷出式反馈将富含金属的气体排入星系晕，最远可达两倍virial半径，导致星系晕显著金属污染。
• 中心气体密度与压力降低，削弱了模拟X射线与松德瓦-泽尔多维奇（SZ）图谱中的可探测信号，使此类星系晕更难被当前仪器探测到。
• 未来望远镜如Lynx与CMB-S4有望探测到这些反馈特征，特别是在星系晕中，为约束类星体反馈机制提供了可行路径。