[论文解读] The role of gas fragmentation during the formation of supermassive black holes

Matías Suazo, Joaquín Prieto+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 116被引用 34

一句话总结

本研究利用宇宙学流体动力学模拟，探究气体分裂如何通过直接坍缩黑洞（DCBH）模型影响超大质量黑洞种子的形成。研究发现，尽管强烈的紫外背景（J21 = 10,000）可抑制分裂并形成单个约10⁵ M⊙的种子，但较弱的背景（J21 = 10）会引发分裂，形成多个10³–10⁴ M⊙的天体，这些天体仍可合并成大质量种子。令人惊讶的是，即使在高J21背景中，高自旋星系晕在多次并合事件后仍可能发生分裂，表明紫外强度本身并非决定DCBH形成的唯一因素。

ABSTRACT

We have performed cosmological hydrodynamic simulations to study the effect of fragmentation on the SMBH seed mass in the direct collapse formation scenario. We considered different background UV intensities, host halo spin, and halo merger histories. Our simulations in low-spin halos, in the presence of a strong UV background are consistent with the Direct Collapse Black Hole model, in which a single massive object $\sim10^5$ M$_{\odot}$ is formed in the center of a proto-galaxy. While in our simulations under the presence of a low UV background, we find fragmentation and the formation of various minor seeds. These fragments have masses of 10$^3$ - 10$^4$ M$_{\odot}$. These values are significant if we consider the potential mergers between them, and the fact that these minor objects are formed earlier in cosmic time compared to the massive single seeds. In one of our simulations, we observed gas fragmentation even in the presence of a strong UV intensity. Said structure arose in a dark matter halo that formed after various merger episodes, and the one with the highest spin value. The final mass obtained was $\sim 10^5$ M$_{\odot}$ in this run. From these results, we conclude that fragmentation in fact produces less massive objects, however, they are still prone to merge. In simulations that formed many fragments, they all approach the most massive one with time. We see no uniqueness in the strength of the UV intensity value required to achieve a DCBH, since it depends in other factors like the system dynamics in our cases.

研究动机与目标

• 探究气体分裂在通过直接坍缩黑洞（DCBH）模型形成超大质量黑洞种子过程中的作用。
• 评估不同紫外背景强度（J21）、星系晕自旋和并合历史对分裂及种子质量形成的影响。
• 确定分裂是否阻止或仅延迟大质量DCBH种子的形成。
• 评估DCBH模型在超越理想化假设的真实动态宇宙学条件下的鲁棒性。

提出的方法

• 采用自适应网格细化的宇宙学流体动力学模拟，以模拟高红移星系晕中的气体动力学。
• 引入包含48个涉及H、H₂、H⁻、D和He物种的详细化学网络，以追踪冷却和电离过程。
• 改变紫外背景强度（J21 = 10 和 J21 = 10,000）以测试H₂抑制效果及其对分裂的影响。
• 追踪星系晕自旋和并合历史，以评估其对分裂和中心天体形成的影响。
• 采用改进的辐射场模型，模拟莱曼-沃纳辐射及低能光子对H⁻和H₂形成的效应。
• 应用包含自洽引力、流体动力学和辐射转移的三维宇宙学模拟框架，以模拟早期结构形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实的紫外背景条件下，气体分裂是否阻止大质量DCBH种子的形成？
• RQ2 尽管受到强烈紫外辐照，星系晕自旋和并合历史如何影响分裂的触发？
• RQ3 通过分裂形成的多个低质量碎片（10³–10⁴ M⊙）是否仍能合并成大质量种子（约10⁵ M⊙）？
• RQ4 是否存在一个唯一的临界紫外强度（J21）以抑制分裂并实现DCBH形成，还是其取决于其他动力学因素？

主要发现

• 在强紫外背景（J21 = 10,000）辐照下的低自旋星系晕中，形成单个约10⁵ M⊙的致密种子，与标准DCBH模型一致。
• 在较弱紫外背景（J21 = 10）的模拟中，由于H₂抑制不足，气体分裂为多个质量在10³–10⁴ M⊙之间的天体。
• 即使在高J21环境中，经历多次并合事件后形成高自旋的星系晕仍会发生分裂，最终形成约10⁵ M⊙的种子。
• 在低J21模拟中早期形成的碎片最终均演化为最重的天体，表明存在层级并合的潜力。
• 防止分裂所需的临界紫外强度（Jcrit₂₁）并非唯一；其取决于星系晕自旋和并合历史等局部动力学因素。
• 本研究证明，分裂并不排除大质量种子的形成，因为多个碎片可随时间合并为单一的大质量天体。