[论文解读] Top-heavy stellar mass distribution in galactic nuclei inferred from the universally high abundance ratio of [Fe/Mg]

Daisuke Toyouchi, Kohei Inayoshi+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 93被引用 22

一句话总结

本文提出，在活动星系核（AGN）盘中，初始质量函数（IMF）呈上重（top-heavy）特征，幂律指数 Γ ≳ −1，且大质量截止质量 Mmax ≃ 100–150 M⊙（或当 Γ ≳ 0 时 Mmax ≳ 250 M⊙），可解释高红移类星体中普遍观测到的 [Fe/Mg] ≳ 0.2 的现象。此类 IMF 通过大质量恒星的核心塌缩超新星和对不稳定超新星（PISNe）增强铁元素的产生，实现 <10 Myr 内的快速化学富集，与 z ≲ 3 时 LIGO/Virgo 观测到的双黑洞合并率一致。

ABSTRACT

Recent observations of active galactic nuclei (AGNs) have shown a high Fe~II/Mg~II line-flux ratio in their broad-line regions, nearly independent of redshift up to $z \gtrsim 6$. The high flux ratio requires rapid production of iron in galactic nuclei to reach an abundance ratio of ${ m [Fe/Mg]} \gtrsim 0.2$ as high as those observed in matured galaxies in the local universe. We propose a possible explanation of rapid iron enrichment in AGNs by massive star formation that follows a top-heavy initial mass function (IMF) with a power-law index of $\Gamma$ larger than the canonical value of $\Gamma=-2.35$ for a Salpeter IMF. Taking into account metal production channels from different types of SNe, we find that the high value of ${ m [Fe/Mg]} \gtrsim 0.2$ requires the IMF to be characterized with $\Gamma \gtrsim -1$ ($\Gamma \gtrsim 0$) and a high-mass cutoff at $M_{ m max} \simeq 100$--$150~{ m M_\odot}$ $(M_{ m max} \gtrsim 250~{ m M_\odot})$. Given the conditions, core-collapse SNe with $M_\ast \gtrsim 70~{ m M_\odot}$ and pair-instability SNe give a major contribution for iron enrichment. Such top-heavy stellar IMFs would be a natural consequence from mass growth of stars formed in dense AGN disks under Bondi-like gas accretion that is regulated by feedback at $M_\ast \gtrsim 10~{ m M_\odot}$. The massive stellar population formed in AGN disks also leave stellar-mass black hole remnants, whose mergers associated with gravitational-wave emission account for at most 10 \% of the merger rate inferred from LIGO/Virgo observations to simultaneously explain the high ${ m [Fe/Mg]}$ ratio with metal ejection.

研究动机与目标

• 解释在高红移类星体（z ≳ 6）宽线区（BLRs）中普遍观测到的 [Fe/Mg] ≳ 0.2 的丰度比，该现象与标准化学演化模型相矛盾。
• 确定能通过大质量恒星的金属产出量再现观测到的 [Fe/Mg] 比值的恒星初始质量函数参数（Γ 和 Mmax）。
• 研究此类上重IMF如何通过反馈调节的Bondi型吸积，在致密AGN吸积盘中自然形成。
• 通过计算在上重IMF假设下，AGN盘中形成的双黑洞的宇宙合并率，评估其对引力波天文学的影响。

提出的方法

• 本研究使用 NKT13 和 UN08 的恒星产出表，覆盖原恒星质量 10 ≤ M∗/M⊙ ≤ 260，重点分析核心塌缩超新星和对不稳定超新星（PISNe）产生的铁和镁。
• 通过变化幂律指数 Γ 和大质量截止质量 Mmax，对IMF进行质量加权积分，以再现 [Fe/Mg] ≳ 0.2 的观测值。
• 应用时间依赖的恒星质量增长模型，假设在 M∗ ≳ 10 M⊙ 时，通过辐射和机械反馈调节的Bondi型吸积，导致上重IMF的形成。
• 通过假设在内层BLR（r < 0.1 pc）采用上重IMF，外区（0.1 pc < r < 10 pc）采用Salpeter IMF，计算双黑洞的宇宙合并率，并与LIGO/Virgo观测结果比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 为再现高红移类星体BLR中观测到的 [Fe/Mg] ≳ 0.2，所需的IMF参数（Γ 和 Mmax）是什么？
• RQ2 通过吸积与反馈调节，上重IMF如何在AGN的致密自引力盘中自然形成？
• RQ3 在这些上重IMF下，大质量核心塌缩超新星和对不稳定超新星在铁元素富集中贡献多大？
• RQ4 在上重IMF假设下，AGN盘中形成的双黑洞的预测宇宙合并率是多少？与LIGO/Virgo观测结果如何比较？
• RQ5 未来LSST对 z ≲ 2 时对不稳定超新星的观测能否检验上重IMF假设？

主要发现

• 为再现类星体BLR中观测到的 [Fe/Mg] ≳ 0.2，需要一个幂律指数为 Γ ≳ −1 且大质量截止质量为 Mmax ≃ 100–150 M⊙ 的IMF。
• 具有更高质量截止的IMF（Mmax ≳ 250 M⊙ 且 Γ ≳ 0）同样满足 [Fe/Mg] 约束，表明极高质量恒星对铁元素富集至关重要。
• 在这些IMF下，M∗ ≳ 70 M⊙ 的核心塌缩超新星和 M∗ ≃ 220–260 M⊙ 的对不稳定超新星（PISNe）是铁元素富集的主要贡献者。
• 通过在 M∗ ≳ 10 M⊙ 时受反馈调节的Bondi型吸积，上重IMF在AGN盘中自然形成，导致恒星质量快速增长。
• AGN盘中预测的双黑洞合并率与 z ≲ 3 时LIGO/Virgo的观测结果一致，占本地合并率的最高约10%。
• 该模型暗示在 z ≲ 2 时对不稳定超新星的探测率较高，未来LSST巡天可对此进行检验。