宇宙シミュレーションが明らかにしたブラックホールの成長と進化(Cosmic Simulation Reveals How Black Holes Grow and Evolve)

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2024-07-02 カリフォルニア工科大学(Caltech)

カリフォルニア工科大学が主導する天体物理学者チームは、原始ガスが超大質量ブラックホールを取り巻く円盤に取り込まれる過程を初めてシミュレートしました。この新しいシミュレーションは、1970年代からの従来の円盤モデルを覆し、ブラックホールや銀河の成長と進化に関する新たな発見をもたらします。シミュレーションは、磁場が円盤形成において予想以上に重要な役割を果たすことを明らかにし、円盤が従来の理論よりも「ふわふわ」としている理由を解明しました。これにより、超大質量ブラックホールの周囲でのガスの動きを理解する新たなフレームワークが提供され、今後の研究やデバイス設計に重要な影響を与えると期待されています。

<関連情報>

宇宙論的初期条件から、星形成の終焉とAGN降着円盤の構造を解き明かす FORGE’d in FIRE: Resolving the End of Star Formation and Structure of AGN Accretion Disks from Cosmological Initial Conditions

Philip F. Hopkins,Michael Y. Grudic,Kung-Yi Su,Sarah Wellons,Daniel Angles-Alcazar,Ulrich P. Steinwandel,David Guszejnov,Norman Murray,Claude-Andre Faucher-Giguere,Eliot Quataert,Dusan Keres
The Open Journal of Astrophysics  Published:March 14, 2024
DOI:https://doi.org/10.21105/astro.2309.13115

宇宙シミュレーションが明らかにしたブラックホールの成長と進化(Cosmic Simulation Reveals How Black Holes Grow and Evolve)

Abstract

It has recently become possible to zoom-in from cosmological to sub-pc scales in galaxy simulations to follow accretion onto supermassive black holes (SMBHs). However, at some point the approximations used on ISM scales (e.g. optically-thin cooling and stellar-population-integrated star formation [SF] and feedback [FB]) break down. We therefore present the first cosmological radiation-magnetohydrodynamic (RMHD) simulation which self-consistently combines the FIRE physics (relevant on galactic/ISM scales where SF/FB are ensemble-averaged) and STARFORGE physics (relevant on small scales where we track individual (proto)stellar formation and evolution), together with explicit RMHD (including non-ideal MHD and multi-band M1-RHD) which self-consistently treats both optically-thick and thin regimes. This allows us to span scales from ~100 Mpc down to <100 au (~300 Schwarzschild radii) around a SMBH at a time where it accretes as a bright quasar, in a single simulation. We show that accretion rates up to ∼10−100M⊙yr−1 can be sustained into the accretion disk at ≪103schw, with gravitational torques between stars and gas dominating on sub-kpc scales until star formation is shut down on sub-pc scales by a combination of optical depth to cooling and strong magnetic fields. There is an intermediate-scale, flux-frozen disk which is gravitoturbulent and stabilized by magnetic pressure sustaining strong turbulence and inflow with persistent spiral modes. In this paper we focus on how gas gets into the small-scale disk, and how star formation is efficiently suppressed.

1701物理及び化学
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