[论文解读] The mass assembly history of black holes in the Universe

Priyamvada Natarajan|arXiv (Cornell University)|May 24, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 7

一句话总结

本文提出一种蒙特卡洛合并树模型，用于追踪从高红移大质量种子形成（通过原星系气体盘直接坍缩）到现今的黑洞质量组装过程。该模型预测了现今黑洞质量函数在低质量端的显著特征，以及 $M_{\rm bh}-\sigma$ 关系中的散射增加，且低表面亮度、无星系核球的星系所含黑洞更少——这些是区分大质量种子模型与第三星族遗迹种子模型的关键特征。

ABSTRACT

We track the growth and evolution of high redshift seed black holes over cosmic time. This population of massive, initial black hole seeds form at these early epochs from the direct collapse of pre-galactic gas discs. Populating dark matter halos with seeds formed in this fashion, we follow their mass assembly history to the present time using a Monte-Carlo merger tree approach. Using this formalism, we predict the black hole mass function 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 Mbhσs relation. Signatures of these massive seed models appear predominantly at the low mass end of the present day black hole mass function. In fact, our prediction of the shape of the Mbhσs relation at the low mass end and increased scatter has recently been corroborated by observations. These 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 also has a direct influence on the black hole occupation fraction in galaxies at z = 0. This effect is more pronounced for low mass galaxies today as we predict the existence of a population of low mass galaxies that do not host nuclear black holes. This is the key discriminant between the models studied here and the Population-III remnant seed model.

研究动机与目标

• 研究高红移大质量黑洞种子形成对现今黑洞质量函数和 $M_{\rm bh}-\sigma$ 关系的观测印记。
• 确定种子形成效率如何影响 $z=0$ 时低质量星系中的黑洞占有分数。
• 利用黑洞质量函数和 $M_{\rm bh}-\sigma$ 关系在低质量端的特征，区分大质量种子模型与第三星族遗迹种子模型。
• 评估宿主星系属性（尤其是核球存在与否和自旋）在决定高红移黑洞种子形成可能性方面的作用。
• 评估后期吸积和并合过程对初始种子形成特征的掩盖程度，即这些特征在局部黑洞群体中的鲁棒性。

提出的方法

• 采用蒙特卡洛合并树方法，模拟从高红移种子到现今的黑洞质量组装过程。
• 在暗物质晕中填充种子，种子通过 $z \gtrsim 10$ 时原星系气体盘的直接坍缩形成。
• 引入种子形成效率参数，以探索从高到低效率的不同情景。
• 通过吸积和并合追踪质量增长，整合低红移相关的反馈和供料模式。
• 预测现今的黑洞质量函数、吸积黑洞的光度函数以及 $M_{\rm bh}-\sigma$ 关系中的散射。
• 将模型预测与观测数据进行比较，尤其关注 $M_{\rm bh}-\sigma$ 关系的低质量端和占有分数。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过直接坍缩形成大质量黑洞种子如何影响现今黑洞质量函数的形状？
• RQ2 在大质量种子模型下，$M_{\rm bh}-\sigma$ 关系在低质量端的预测散射是多少？与观测结果相比如何？
• RQ3 种子形成效率如何影响 $z=0$ 时低质量、无核球星系中的黑洞占有分数？
• RQ4 能否利用低红移观测数据区分大质量种子模型与第三星族遗迹种子模型？
• RQ5 后期吸积和并合过程在多大程度上会掩盖局部黑洞群体中初始种子形成的特征？

主要发现

• 该模型预测现今黑洞质量函数在低质量端具有显著特征，存在大量缺乏核球黑洞的低质量星系。
• 模型预测的 $M_{\rm bh}-\sigma$ 关系在低质量端的散射与哈勃空间望远镜ACS对室女座星系团低质量星系的最新观测数据相符。
• 具有大尺寸盘、低表面亮度且无核球的星系，由于自旋低且中心聚集度不足，最不可能在高红移时期形成大质量种子。
• 低质量星系中的黑洞占有分数强烈依赖于种子形成效率，其中相当一部分此类系统未检测到黑洞。
• 黑洞质量函数的高质质量端对初始种子模型不敏感，因为后期吸积和并合过程在此主导。
• 占有分数是种子形成历史的稳健示踪量，因其在很大程度上独立于后续的吸积机制。